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1 航空航天行业的信息化建设内容与作用
航空航天行业方面信息化建设主要包括企业总体的信息管理、研制与制造的协同及产品研制能力的提升3部分。
1.1 企业总体的信息管理
企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统，是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。在航空航天企业中，由于需要涉及整体调动和资源整合很多，ERP作为对企业资源进行有效共享和利用的系统，可以使航空航天行业达到整体的资源规划统一。
1.2 研制与制造的协同
在航空航天行业，信息化主要为科研生产服务。该行业的重大工程是1个多学科综合、多专业集成、多个子系统集成和多单位跨地域协同的庞大系统工程；其复杂性、研制周期以及研制过程中各种因素的不确定性，需要采取信息化手段进行约束；其设计与制造中涉及大量的信息系统，并且需要在严格的流程管理控制下实现这些信息系统之间的交互和协作，以支持并行的协同设计和制造。设计研制过程中会涉及到成百上千个子系统、多种BOM表和多种变更管理。航空航天产品研制生产数据分散存放在各承担单位，大多数分系统和单机的研制生产数据没有实现集中存放和统一管理，上下游间难以保证数据的一致性和数据的有效重用。同时，近年来航天企业的研制与生产并重，设计与制造间的协同需求也很迫切。如此众多的系统、流程以及异构的数据协同实现集成需要1个统一的管理平台和集成环境。
航空航天行业又与其他行业不同，对质量管理、产品可靠性的要求非常严格，每个零部件要能追溯生产制造源头。
PDM主要针对的是产品数据管理。它以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数值处理过程、资源一体化的集成管理技术。PLM则指产品生命周期管理，作为全局信息的集成框架，可有效实现资源集成和协同研发生产及精益化管理。所谓集成框架，即在异构分布式计算机环境中能使企业内各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。PDM和PLM可为航空航天产品的研制和制造创造协同工作环境。基于信息化协同工作环境，设计人员可以跨越空间的限制，利用计算机通信网络等技术实现资源共享，完成异地协同设计与协同制造。
重点需要实现下列两个方面的集成：(1)PDM，PLM与CAD/CAPP/CAM的集成；(2)PDM，PLM与ERP的集成。ERP与PDM，PLM的互通，可以最大限度地共享企业全部信息系统。将PDM和PLM技术引入航空航天企业的研制和生产过程中，对改进现有技术和管理流程有非常重大的意义，能在一定程度上解决航空航天企业在研制过程中信息与流程的集成与管理及协同。
1.3 实现航空航天产品的三维全数字化定义设计与制造集成，提升产品研制能力
CAD，CAPP，CAM及CAE主要针对航空航天产品的研发及制造过程的信息化，在产品设计和制造加工的集成上提升产品的研制能力。从技术角度看，航空航天产品的研制过程涵盖现代科技的诸多领域，如机械、材料、电子、力学、声学、热学和能源等；多学科多性能的要求致使各种CAE之间需要协同，而在CAE仿真后进行的优化也需要CAD与CAE之间实现协同。
在航空航天产品的研制技术方面(CAD和CAE)，通过数字样机的建立，可以实现部件或整机的虚拟装配运动机构仿真、装配干涉检查、空间分析管路设计、气动分析和强度分析等。总体而言，在航空航天产品研制中全面采用信息化技术，可实现三维数字化定义、三维数字化预装配和并行工程，建立产品的数字样机，取消全尺寸实物样机，使工程设计水平和产品研制效率得到极大提高，大幅度降低干涉、配合安装等问题带来的设计更改。
CAPP与CAM则指航空航天产品的制造协同。CAPP包括工装设计系统建立和工艺系统，在工装分类和典型化基础上，建立各自的工装设计资源库；开发基于工装族和有工艺知识支持的专用辅助工装设计系统，加强工装标准化、组件化和系列化工作，显著提高工装设计效率；实现产品模型在工装设计过程中的信息共享，提高工装设计与产品设计的协同程度；进行基于三维模型的计算机柔性化组合夹具工装研究，使工装快速组合装配，满足型号不同研制阶段和状态的快速工艺准备需求。工艺方面，针对产品制造过程中的铸造、数控加工、钣金成型、焊接等关键工艺过程，利用CAE进行计算机模拟的研究与应用，实现工艺方案的评估及优化；最终实现工艺流程的优化。CAM方面，运用CAD进行制造过程的前期设计，利用CAE进行计算机模拟，实现CAM方式与过程的优化。
总之，设计人员通过CAD完成设计，由专门仿真人员利用CAE完成设计多性能之间的协同仿真优化，通过CAD得到最终设计；而后通过CAD，CAE与CAPP，CAM的协同完成航空航天产品制造的过程。同时，运用两者之间的沟通，通过对航空航天产品的整体信息化建设，建立起CAD设计知识库、CAE仿真知识库、CAPP和CAM的制造工装知识库，使其成为航空航天企业在研发、制造方面的宝贵经验财富。
2 航空航天行业的信息化建设目标
通过上述几个部分的交互运用和协同，可以实现航空航天行业的管理、资源、设计、制造的全方位信息化工程，最终达到以下目标：
(1)实现信息的共享和传递速度，加强各地各部门之间的沟通与交流，提高工作效率；
(2)确保整体信息流的畅通，如产品各方面性能的仿真协同、设计协同等，有效开展工艺与设计的网上协同工作；
(3)提高总体设计能力，建立航空航天行业的设计知识库、仿真知识库和制造知识库等；
(4)提高制造过程信息化应用水平，建立工艺管理平台。实现制造过程计算机化，工艺流程管理及工艺信息与其他信息系统的集成，优化工艺和制造过程；
(5)建立产品设计、制造协同平台；
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2基于工程教育专业认证标准下南航能动专业课程体系优化
通过对国内外本科院校工程教育专业认证的分析与研究，利用对中国近几年的专业认证与评估成果的调查与研究，对其进行梳理，依据工程教育专业认证中课程设置要求，依据南京航空航天大学能源与动力学院能动专业建设相关内容与特色，以培养具有航空航天特色的工程教育专业人才为目标，对南京航空航天大学能动专业课程体系进行优化。以培养要求为基准，着手对课程体系进行优化，并对本科培养大纲进行相应的修订，从而实现培养目标。确定能源与动力专业学生在校期间应修总学分数不能少于180学分。
2.1数学与自然科学类课程能源与动力专业数学与自然科学类课程是指该专业学生必须掌握的基础课程，主要包括高等数学（11学分）、大学物理（6.5学分）、大学英语模块（10学分）、C++语言程序设计（3学分）等方面共六门课程，总共30.5个学分。因此能源与动力专业数学与自然科学类课程占总学分的比例约为17％，达到了工程教育专业认证标准中至少占总学分的15%的要求。
2.2工程基础类课程、专业基础类课程与专业类课程工程基础类课程和专业基础类课程主要体现数学和自然科学在该专业应用能力培养，而专业类课程主要体现系统设计和实现能力的培养。其中工程基础类课程主要包括电子电工技术（5学分）、理论力学（3学分）、材料力学（3学分）、工程图学（4.5学分）以及机械设计基础（3学分）等课程，总共为18.5个学分；专业基础类课程主要包括工程流体力学（3学分）、工程热力学（3学分）、传热学（3学分）和化学反应动力学基础（2学分）等课程，总共为11个学分。因此工程基础类课程和专业基础类课程必须要修满至少29.5个学分。对于专业类课程，由于能源与动力专业具体有两个培养方向:方向一为热能动力方向，主要陪养就业方向为航空发动机、地面燃气轮机等相关单位；方向二为能源利用方向，主要培养的就业方向为电厂、新能源以及制冷等相关单位。因此其专业类课程既有相同的专业课程，也有自身特色的课程。其中燃烧原理（2.5学分）、燃气轮机原理与构造（3学分）、热能综合利用（2学分）、热交换器原理与设计（2.5学分）以及热工测量原理与方法（2学分）等，总共12个学分，这些课程为能源与动力专业两个培养方向都必须学习的专业类课程。另外每个培养方向又有其特定的专业类课程必须选修，其中热能动力方向专业类课程包括叶轮机原理（2.5学分）、燃气轮机控制原理及应用（2学分）、燃烧技术与分析（2学分）、内燃机原理与构造（2学分）、工程传质与应用（2学分）等共9门课程；能源利用方向专业类课程包括泵与风机（2学分）、供热工程（2学分）、锅炉原理（2学分）、制冷原理与技术（2学分）、可再生能源利用技术（2学分）以及热力发电技术概论（2学分）等共10门课程。无论学生学习哪个方向，共同学习的专业类课程与特定选修的专业课程之和必须要修满至少28个学分。因此,工程基础类课程、专业基础类课程与专业类课程必须要修满的学分数为：29.5＋28＝57.5学分，因此该类课程学分占总学分的比例约为32％，达到了工程教育专业认证标准中至少占总学分的30%的要求。
2.3工程实践与毕业设计能源与动力专业设计完善的实践教学体系，主要包括以下几个方面：(1)军事训练，培养学生的吃苦耐力与过硬的身体素质；(2)各种课程的课程设计，如:机械设计基础课程设计、电工与电子技术课程设计、C++语言课程设计等，主要培养学生对各门基础课、专业基础课的实际应用能力；(3)工程训练，主要包括机械加工方面的车、磨、铣、刨、铸造以及焊接等金工实习，锻炼学生的动手能力；(4)下厂实习，大三暑假期间，在指导老师带领下去中航工业集团下属的企业或电厂进行为期一个月的下厂实习，锻炼学生把理论知识应用于工程实际中的能力；(5)毕业设计，指导老师开设的毕业设计题目一般都来源于实际工程问题，学生在老师的指导下，在大四下半年开展为期半年的本科毕业实际，培养学生的工程意识、协作精神以及综合应用所学知识解决实际问题的能力。能源与动力专业要求学生在实践能力与毕业设计方面修读的总学分不低于42.5，占总学分的23.6％，达到了工程教育专业认证标准中至少占总学分的20%的要求。
2.4人文社会科学类通识教育课程能源与动力专业在人文社会科学类通适教育课程方面主要包括以下几个模块：(1)通适基础教育平台，主要包括形式政策教育、思想道德修养与法律基础、安全教育、大学生心理健康教育等课程，共19.5个学分；(2)国防军事模块，包括航空航天概论、军事高技术概论等，至少修满1.5个学分；(3)文化素质模块，主要包括文化历史、艺术鉴赏、科技基础、哲学社会等课程，至少要修满6个学分；(4)创新创业类模块，主要包括大学生职业生涯发展与规划、创业基础以及经济管理等课程，共5.5个学分。人文社会科学类通识教育课程总共需修满32.5个学分，占总学分的18％，达到了工程教育专业认证标准中至少占总学分的15%的要求，使学生在从事工程设计时能够考虑经济、环境、法律、伦理等各种制约因素。
2.5航空航天特色类课程的设置为了突出南京航空航天大学能源与动力专业的航空航天特色，在开设的课程中，如国防军事模块、专业类课程以及工程实践与毕业设计中，课程教学内容包含浓郁的航空航天特色，由于指导老师所从事的科研项目都是来自于国防工业集团，具有丰富的研究经验，因此在专业基础课和专业课的讲课过程中，所列举的实例都是以航空航天为背景的工程问题，特别是毕业设计和下厂实习，因此在能源与动力专业课程优化过程中，充分突出了南京航空航天大学的航空航天特色。
2.6注重科技创新能力培养学生创新素质的培养直观重要的是培养学生的创新意识，因此积极创造条件让学生能够在大学期间积极的参与科技创新活动。主要包括：(1)鼓励学生积极参加各种科技类竞赛，如:流体力学大赛、节能减排大赛、开设卓越班等，并且科技竞赛获得奖励的同学在保研方面给予政策上的倾斜；(2)安排学生参与教师的科学研究工作，让学生在参与科研过程中更好的掌握好该专业的理论知识，加强学生的动手能力，拓展学生的科研视野。
2.7学习进程大学生本科期间的各门课程是相互衔接的，因此需要考虑课程之间的匹配与衔接，如图1所示。学习进程主要分成了三部分:一是基础课程，包括高等数学、大学物理、计算机等;二是学科基础，包括结构和流体力学、热学和电学方面的课程;三是专业课程，主要包括了热能动力和能源综合利用两个方向的相关课程。整个课程体系分为三条线:第一是流体和热学相关的课程，如流体力学、工程热力学、传热学、燃烧学等；第二是结构力学方面，包括理论力学、材料力学等;第三是计算机语言方面的课程。因此在安排各门课程的学期上需要考虑上述课程衔接问题，从而最终制定出合理的能源与动力工程专业教学计划表。
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基于问题的学习方法的主要目标不仅仅是让学生获得知识，并且要运用知识。PBL重视模型和问题的解决。它试图模拟现实生活中的工程研究和开发过程。Barrows这样描述PBL的主要特点：（1）学习是以学生为中心的，即学生选择怎样去学习和他们想要学习的内容。（2）学习在小团体中展开并且提倡协作学习。（3）老师是促进者、引导者或教练。（4）问题形成组织重点并刺激学习。（5）问题是拓展真正的问题解决能力的工具。（6）新的信息是通过自学获得的。
2.PBL工程教育案例———麻省理工学院航空航天工程系。
几年前，在麻省理工学院的航空航天系成立了一个由教师和科研人员组成的新战略计划小组，专门负责课程改革。为了强调教育以学生为中心，讨论小组花费了一定的时间和精力通过对项目和学习成果进行验收，设计了新的教学方法，建造与之配套的实验室。尽管基于问题的学习是关键，但它不是课程组织的原则。新的航空航天工程课程以现实生活中产品完整的生命周期工程为背景，即构思、设计、实施和执行（CDIO），结合设计建造经验，贯穿于整个项目中。接下来就是从简单的项目到高度复杂的系统设计建立过程，以及从中取得的经验教训。第一年，在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、构思并且试飞的由无线电控制浮空飞行器（LTA）。第二年，在《联立工程学》课上，学生们设计、搭建并且试飞了无线电控制的电推力飞行器。在一些比较深入的课程例如《空气动力学》课上，从工厂或者政府以往项目中提出航空工业中很常见一个实际的问题，像是以洛克希德•马丁战术飞机系统为模板提供项目设计方案。高级课程完全利用基于问题的学习方法，如：《实验项目实验室空间系统工程》、《CDIO高等课程》。在这些PBL体验中，学生发现自己感兴趣的问题，通过做实验找到解决方法，并用多学科方法设计出复杂系统。麻省理工学院航空航天系“复杂系统学习实验室”的主任提出了一个对于基于问题的学习方法的分类框架。它将问题分为四个等级，给出了解决基础科学及先进工程课题的系统方法。一级：问题集。问题集是指在大多数工程课程中发现的传统问题。它们往往具有一定的结构与较成熟的解决方案（至少问题的设计者知道）。所有学生解决同样的问题，有时独自解决，有时以小组形式解决。问题需要在相对较短的时间内解决。二级：小型实验。小型实验是指在结构化问题下的实验课。例如测量或观察某种工程现象或数据。这些问题在一或两个学期内解决，可以“重复地进行”，也就是说，每个学生团队解决与其他团队同样的问题。在麻省理工学院有许多例子，如《联立工程学》课上的桁架实验室，《空气动力学》课上对在风洞中的流速计的校准，《航空航天设计导论》课上对空气动力减速器的各种测试。三级：大型实验。比起前几个阶段，这个阶段的问题需要更长的时间去解决，可能会耗费几周或整个学期。到了这个阶段问题明显复杂了很多，需要更多的规划和教员支持。在麻省理工学院有许多如是例子：《实验项目实验室》课上的风洞试验、飞行器模型项目，《空气动力学》课上的机械项目，《航空航天教育导论》课上的轻于空气的飞艇，《联立工程学》课上的电动飞行器设计等。四级：顶级CDIO实验。这个阶段在系统中整合了核心工程的顶级实验。麻省理工学院的航空航天工程项目用构思-设计-实施-操作（CDIO）的方法来设法更接近于实际工程。在顶级实验中，工程的四个阶段都将涉及。顶级实验室的项目均为研究的重点，需要更多的资金，工程的复杂度和依赖经验的程度也很高。例如麻省理工学院的自主卫星光学阵列项目和磁控编队飞行器。四级的项目需要学生、老师和研究员花费三个学期去完成。可以看出三级和四级问题的解决过程是由学生主导的、不受约束的、复杂的、多方面的且具有很高的主动性过程，符合之前所说的PBL标准。然而一级和二级中的项目体验过程更结构化，在这个过程中学生体验到关于问题构想的有用指导，使用工具进行研究发现。基于问题的学习方法和设计-制造经验贯穿了整个麻省理工学院航空航天工程系的本科生阶段。使用四个等级的框架来层次化PBL体验过程确保了从高度结构化问题到无约束和复杂问题情况的合理推广。
3.基于问题的学习方法的评估。
基于问题的学习方法的评估是多模式和长期性的。这些方法包括实验室期刊、技术简报、设计审查、技术报告、团队协作评估、设计作品、互评和自评。教师的角色主要是顾问和指导员，以及在学习过程中为学生提供大量反馈信息。在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、制造并试飞由无线电控制的浮空飞行器，设计审查作品和最后的评估工作都是由飞行器竞赛的方式进行。在《综合工程》课的飞行器设计项目中，二年级学生分析在问题集中与气动性能、稳定性和推进装置有关的问题，并动手组装和试飞无线电控制的电推力飞行器。与第一年的课程相似，评估手段包括问题集、设计审查以及最后的一场比赛。除了评估认知能力的培养效果，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。这些情感变化可以通过观察、访谈、作品、期刊和其他形式的自评进行评估。
二、小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合途径
在全球化大背景下，除去意识形态的差别，世界人才的标准正趋于统一。根据著名的CDIO（Con-ceive-Design-Implement-Operate，即：构想-设计-实现-运作）工程教育模型，工程教育包括以下几大培养目标：掌握深厚的基础知识和应用技术；善于构思、设计、实现和运作新产品或系统的能力；承担和实施复杂系统工程的能力；适应现代团队协作开发模式及其开发环境。这些目标是直接参照工业界的需求而制定的，它实际上定义了现代工程技术人员的素质构成。
1.小卫星作为航天工程教育的意义。
小卫星为空间发展提供了的一条新途径，这是与以往基于传统空间开发模式的“政府导向的大型项目”完全不同的。此外，NASA已经开展了很多项目为大学提供发射机会，让他们逐渐学会如何开发、运营卫星。超小型卫星计划是其中一个著名的案例，选定十所大学并给予他们项目资金，最终的成品将搭载航天飞机发射上天。凭借多年的项目经验，一些大学已经能够制造卫星，甚至出售卫星给其他大学或国家。小卫星为大型卫星上已经实现的一些任务提供了一条新的实现途径。一定数目的小卫星协作是一个非常重要的概念，通常被称为“星座”或“编队飞行”。这种多卫星体系的优点是容错量大、重构能力强、系统的可扩展性好。
2.基于小卫星平台的航天工程教育项目。
小卫星的操作训练为大学生的太空教育提供了一个特别的机会，让他们能够体验从任务创建、卫星设计、制造、测试、发射、运行，直到结果的分析的整个太空项目周期。同时他们还能从这些项目中学到项目管理和团队协作等重要技能。小卫星项目不仅对教育有益，而且有望成为太空技术发展与商业运营中的一名新成员。
（1）日本卫星设计大赛。
上世纪90年代初期，日本的大学小卫星研究项目远远落后于美国和欧洲各国。然而，在意识到了小卫星在教育和技术发展上的重要性后，日本国内开始大力推动高校小卫星设计-制造计划。第一个里程碑是“卫星设计大赛”。1992年三个学术社团共同成立了大赛组委会，他们分别是JSME、JSASS与IEICE。经过一年时间的准备，于1993年举办了第一届比赛。这项比赛的目的是为更多的大学生提供参与太空项目的机会，同时鼓励一流大学开始进行实体卫星的制造项目。评审项目分成两大类，创意类评审该项目的创意与想法，设计类评审卫星设计的可实现性。提交的项目首先会进行初步的评审，合格的项目才能入围最终的决赛。届时，将进行卫星模型的展示和评审。优秀的作品将获得“设计奖”、“创意奖”以及三大学术社团颁发的奖项。大赛每年都会收到20到30个创意独特的项目。
（2）大学空间系统研讨会（USSS）以及CanSat项目。
USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小卫星工作组在夏威夷举办。研讨会的形式十分独特，出席会议的日本和美国的大学首先提出自己卫星项目的构想，以及各大学自身的科研实力，然后将具有相同兴趣、能力或科研实力的大学进行组队。各组展开讨论，在一天半的研讨会后，各组需要向其他组展示他们的项目设计书。这些项目要在USSS结束后的一年内实施，他们的成果将在下一年的USSS上展示。其中最成功的项目就是CanSa（t罐装卫星）项目了。CanSat项目是1998年由特维格教授提出的。在最初的计划中，每所大学都要制造一个350mL饮料罐大小的微型卫星，卫星将被发射到轨道上，在下一年的USSS上进行控制操作。
（3）立方体卫星。
立方体卫星项目由特维格教授在1999年的USSS大会上提出。立方体卫星为重1kg，长宽高均为10cm的微型卫星。每所大学制作的立方体卫星都被放在一个名为“P-POD”的盒形载体内，它由俄罗斯的“第聂伯”火箭装载发射升空。为了减少立方体卫星和P-POD之间的机械和电气接口，P-POD释放机制设置得非常简单：当P-POD的门打开，里面的立方体卫星就被P-POD末端的弹簧弹出。东京大学和东京工业大学已经开始了立方体卫星项目，并大致完成了设计和EM级别的模型制造。这些大学的学生已经在立方体卫星项目中获得了微型卫星开发的基本专业知识。但他们现在需要面临新的挑战：如何使用现成的廉价的部件设计可靠的空间系统，如何进行空间环境试验（如真空热或辐射试验）并获得试验结果，以及如何处理更大的风险，更多的人力资源、时间和成本。目前计划于2002年底发射第一个立方体卫星。
（4）欧洲大学生月球轨道航天器。
欧洲大学生月球轨道航天器ESMO是欧空局教育卫星计划的第四项任务，它是基于“欧洲大学生太空探索与技术倡议”计划中的“SSETI-Express”卫星。ESMO项目是为了吸引和培养下一代的月球与其他行星的工程师和科学家。航天器有效载荷包括：船载液压双组元推进系统，用船从地球同步轨道通过“日地系统中的拉格朗日点L1”转移到绕月运行轨道的过程，历时3个月；表面光学成像的窄角相机和一个用于测绘全球引力场的子卫星，将在历时超过6个月的时间里执行测量任务；可供选择的载荷还包括一个生物实验和一个微波辐射计。ESMO项目是未来欧洲的科学和勘探计划的一个强大的动手教育和公共宣传工具。它是一个面向大学生的项目，训练和培养了下一代的月球任务的工程师和科学家。
三、建立基于PBL的航天工程教育实验平台和培养范式
我国在“十二五”规划中提出了“创新驱动，实施科教兴国战略和人才强国战略”，要“围绕提高科技创新能力、建设创新型国家，以高层次创新型科技人才为重点，造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。实施PBL教学是一项系统工程，由于受国情、传统教育教学模式和人才培养机制的约束，在中国工科大学中实施PBL教学存在问题案例少、实施成本高、评价方式单一和师生角色僵化等问题，因此，需要根据我国工程教育的现状和国情对PBL教学进行本地化处理，不能生搬硬套，具体来讲有以下几个方面需要注意。
1.树立以学生为中心的教学理念。
树立以学生为中心的教学理念是实施PBL教学的前提条件，PBL强调以学生为中心，作为PBL教学的实施者，教师必须要深刻认识到这一点。
2.根据具体航天任务设计问题。
丰富的问题案例是PBL教学成功的关键。每门专业课的设置都是基于学生已具备一定的先修课程基础为前提，但个体的差异不容忽视，教师或教师团队在进行某课程PBL问题设计的时候要充分了解学生的知识基础，结合具体的实施条件进行问题案例的设计。为了保持热情，学生们可以一种竞赛的形式开始项目，学生们互相分享自己的认识，用自己的双手选择出最吸引人并且最有意义的项目。
3.提高卫星实验平台的开放性与多样性。
除了教育实践空间项目对航空航天教育带来的价值之外，学生建造空间项目长期承诺创新型大学的任务是可直接有利于空间行业本身。目前，各大学中设立的大学或研究生开放实验室及其配套的开放创新基金都是一些很好的尝试，取得了很好的效果，但其范围需要扩大，让大学生能够进入一些比较前沿的和良好国际合作背景的研究型实验室，使其很早就能受到良好的学术熏陶，以促进其产生向更高层次发展的内部动机和欲望。
4.加强学习能力的培养。
发展学生的学习能力，使其成为高效、独立的终生学习者是PBL的重要目标之一。通过参加PBL学习，让学生明白学习不完全是个人的事情，在PBL小组中每个学生都担当一定的角色，并承担相应的责任，在小组讨论中无私贡献自己的学习成果，并吸取其他成员的学习成果，达到共同进步。
5.建立合理多样化的评估体系。
在实施PBL的过程中，可以采用学生自我评价、同学互评及教师评价相结合的办法，注重学生的过程表现，而不是结果。创新人才的多样性和创新思维的多样性决定了我们不能用一刀切的方法来评价学生，而是要采取灵活多样的评估体系，建立激发创新的长效机制。除了评估认知能力的发展和成就，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。
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文献标识码 A
文章编号 1005-4634（2012）05-0048-05
0 引言
《自动控制原理》是航空航天类本科专业一门重要的专业基础课。以笔者所在的北京理工大学为例，航空宇航科学与技术一级学科下属的飞行器设计与工程、航天运输与控制、飞行器动力工程、武器系统与发射工程、探测制导与控制技术等专业的本科生，均在大三第一学期必修《自动控制原理》经典控制理论部分，包括54个理论课时和10个实验课时，其任务是通过对自动控制理论知识的学习，培养学生对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力。同时，《自动控制原理》还是学习测试技术、飞行器制导与控制技术、飞行器总体设计、航天器测控原理等诸多专业课程的先修课，在航空航天类专业的本科生培养计划中占据着非常重要的地位。
《自动控制原理》的授课模式一般有两种：一是将经典控制理论部分和现代控制理论部分分开讲述，先讲授经典控制后讲授现代控制，目前国内大部分高等院校均是采用的这种授课模式；二是将经典控制和现代控制融合讲授，这种授课模式有助于培养学生从系统角度、全局高度来思考问题的能力，更利于掌握控制理论的实质。由于授课模式的沿袭性及单学期课时数的限制，北京理工大学航空航天类专业的《自动控制原理》采用了前一种授课模式。授课教师采用A、B角的方式，教师队伍中有授课近20年的教师，还有刚刚博士毕业踏上工作岗位的年轻教师，更难能可贵的是，所有授课教师均有出国留学或访问的经历，兼通中西教学模式之长，融蓬勃朝气与丰富经验于一体。
本文主要是以《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号）中“坚持内涵式发展”、“促进高校办出特色”、“创新人才培养模式”、“提升国际交流与合作水平”等内容为指导，结合北京理工大学的学校定位和办学特色，以笔者在《自动控制原理》经典控制理论部分本科教学过程中的思考和认识为基础，对北京理工大学航空航天类专业在《自动控制原理》本科教学改革中的若干有效措施进行总结和探讨。
1 授课内容及学习过程中存在的问题
1.1《自动控制原理》的授课内容
笔者主要讲授《自动控制原理》中的经典控制理论部分，授课内容分为八章，分别是：自动控制系统导论、自动控制系统的数学模型、自动控制系统的时域分析、根轨迹法、频率法分析、控制系统校正、非线性系统和线性离散系统。其中，前六章和第八章是重点讲授内容，第七章是一般讲授内容。就总的讲授内容来说，有理论性强、新概念多、系统性强、与工程尤其是航空航天工程联系紧密的特点，如已列装或在研的大部分导弹飞行器，其自动驾驶仪的设计仍主要是在经典控制理论的框架下完成的。学习过程是先了解控制系统的组成尤其是强调“反馈”的概念，再根据实际的控制系统建立数学模型，然后通过时域法、根轨迹法、频率法等分析系统性能的优劣对比，最后对系统整体性能进行校正和设计，可以说，整个过程是一个完整的体系，更是一个循序渐进的过程。
1.2《自动控制原理》学习过程中的几点问题
无论哪门课程，讲授目的均是希望学习者能够掌握相关知识的基本原理、分析方法并最终做到灵活运用。考试成绩是评价学习者是否达到上述标准的一个参考，但考试成绩并不能表明一个学生是否真正达到了上述标准。为了准确评估《自动控制原理》的讲授效果，真正了解该门课程学习中可能存在的问题，不但要时刻注意本专业学生在修习过程中的反馈意见，而且要广泛调研和阅读其它学校和专业的教师在该门课程上的经验总结。在此基础上，结合笔者的亲身体验和思考，认为航空航天类专业的学生在学习《自动控制原理》过程中可能面对的主要问题包括：（1）部分学生由于数学基础不够扎实，对课程中涉及到的数学知识产生畏难情绪，进而无法很好地掌握控制系统的分析方法；（2）不能将所学的控制理论知识与自己专业的实际案例充分地联系起来，这主要是在学习过程中接触专业案例少造成的；（3）阅读英文文献的能力不足，而且这种不足突出表现在缺乏对专业词汇的正确理解上，这说明《自动控制原理》需要适度地推进双语教学改革；（4）无法将基本理论和计算机辅助设计软件MATLAB结合起来进行更有效地控制系统设计，即割裂了基本理论和计算机辅助软件相辅相成、互相印证、互相促进的关系；（5）从系统角度理解控制系统核心思想的能力不足，即无法做到融会贯通，更谈不上灵活运用，这需要授课过程中注意前后串联，帮助学生建立起系统概念。针对上述问题，结合北京理工大学办学定位和航空航天类专业《自动控制原理》的授课特色，授课教师均提出了有针对性的改革措施。多年来的教学实践证明，这些措施很好地解决了北京理工大学航空航天类专业本科生在《自动控制原理》课程中的学习问题，增强了学生对该门课程的学习兴趣和“自主学习”能力。
2 教学改革的若干举措
2.1从数学基础抓起
“工欲善其事，必先利其器。”《自动控制原理》课程涉及大量的数学知识，如拉氏变换及其逆变换、微分方程、差分方程、复变函数理论、Z变换等。毫不夸张地说，扎实的数学功底是学好该课程的基础。如果学生缺乏必要的数学知识，教师又不能适时补上这个不足的话，很容易造成学生在学习过程中的畏难情绪，不可避免地会影响教学效果。
北京理工大学授课教师的做法是在《自动控制原理》开课伊始，就给学生列出所有需要用到的基础数学知识。一方面引导学生重新复习这些已经学过的数学知识；另一方面，授课教师还会抽出专门的课时来对这些数学知识进行复习和重点讲授。为了不断加深学生对这些数学知识的理解，在用到相应的数学工具时，授课教师都会结合具体的实例进行更详细地讲述。为了尽可能减少学生在学习中的畏难情绪，北京理工大学授课教师在考试中坚持“注重概念，弱化计算”的理念，只要学生思路正确，仅仅是计算错误的情况下，尽量少扣或不扣分。
2.2双语教学，与国际接轨
开展双语教学有助于我国高等教育与国际接轨，是当前教育改革的热点和重点，同时也得到了教育部等相关部门的大力支持。在双语教学的改革中，有一点需要明确的是，专业课双语教学的目的并不是为了增加学生的词汇量，也不是为了提高学生外语的写作水平，更不是为了教学生外语语法，而是为了增强学生阅读专业外文文献的能力和对专业知识的理解能力。近年来，英语已经逐渐发展成为全世界通用的语言，最新的科研成果更主要是以英文形式发表。所以，我国高等教育中大部分的双语教学均是采用中文和英文的双语授课模式。
由于《自动控制原理》涉及到的诸多基本理论和分析方法大都是从国外引进和翻译过来的，加上国外学术界习惯用人名来命名定理的做法，给国内学生记忆和理解这些理论和方法增加了额外的困难。如用于判定线性系统稳定与否的劳斯判据就是以英国数学家Edward John Routh的名字命名的，类似这样的例子还有很多，这对于习惯望文生义的国内学生来说，想仅仅从字面意思来理解劳斯判据本身几乎是不可能的。有鉴于此，基于航空航天类专业《自动控制原理》双语教学改革的目的主要是为了增加学生对专业词汇认知这一基本的出发点，决定了航空航天类专业《自动控制原理》双语教学的授课方针应以中文为主、英语为辅。具体做法是，每当第一次出现新的名词、原理和方法时，授课教师先用中文进行详细讲解，然后告诉大家这些名词、原理和方法在英文中的表示方法和来源，并在以后遇到这些名词、原理和方法时，更多地采用英文表述。如传递函数（Transfer Function）、劳斯判据（Routh Criterion）、阶跃响应（Step Response）、脉冲响应（Impulse Response）、根轨迹（RootLocus）等，都可以采用这种处理方式。此外，还需要注意引导学生适量阅读英文参考书和专业文献，由于Katsuhiko Ogata所著《Modern Control Engineer-ing》一书在世界范围内的广泛被接受性，北京理工大学同样推荐学生将这本书作为英文参考书。
2.3融科研于教学
随着我国高等教育改革的不断实施和深入，昔日的“填鸭式”教学已逐步被更能激发学生“自主学习”能力的“启发式”、“案例式”教学所取代。在《自动控制原理》的教学中，如果只是讲授一般的数学公式和物理定理，而与实际工程割裂开来的话，很可能出现的后果就是学生学习后不知道用在什么地方，更不知道如何用，更糟糕的情况是学生在考试后就把所学的东西全忘掉了。为了避免这一状况的发生，有必要将专业案例、授课教师的科研项目融入日常的教学工作中去，让科研带动教学、教学促进科研。
如在第一章讲授自动控制系统定义和基本组成的时候，通用的教材是举一些工业上常见的例子，像室温调节系统和水位调节系统来引入自动控制的专业术语和反馈的概念。这种讲授方法是很好的，有利于学生建立对控制系统组成的直观概念，并认识到自动控制的核心思想所在。对于航空航天类专业的学生来说，在讲述通用案例的同时，还可以结合航空航天领域的应用案例，如引入图1所示的导弹攻击飞机的案例。在这个案例中，导弹根据自己探测到的目标机动特性，依据一定的制导律生成最佳攻击曲线，当弹上的测试设备探测到实际飞行路线和预定飞行路线出现偏差的时候，弹载计算机会依据一定的法则生成控制指令，气动舵机来执行这一控制指令，从而达到控制导弹回到预定飞行路线的目的。按照这一描述可以画出它的系统方块图，如图2所示，和基本的负反馈闭环控制系统（如图3所示）对应起来，预定飞行路线对应给定输入、弹载计算机对应控制器、气动舵机对应执行机构、导弹就是被控对象、实际飞行路线即是实际输出、弹载测试设备即对应测量输出的传感器。这样讲授下来，由于比较贴近专业方向，同学们就很容易理解控制系统的结构，并对输入、输出、被控对象、执行机构、控制器的作用及反馈的概念有了更为直观和深刻的认识。
在讲述控制系统稳态性能和动态性能的时候，大量引入航空航天的专业案例，尤其是一些因为控制系统设计失误或控制系统未能正常工作产生重大损失的失败案例，对引发学生的学习兴趣颇有帮助。从教学的效果看，这些案例的引入，不仅加深了学生对《自动控制原理》重要性的认识，激发了他们学习的热情，同时，还培养了他们对所学专业的兴趣。在此基础上，可以注意吸收一些对自动控制理论或应用感兴趣的学生提前进入实验室，并挑选与任课教师负责项目相关或者处于航空航天控制前沿的研究方向，如临近空间飞行器的制导与控制技术，让他们自由发挥，思考和创新，切实培养他们的动手能力。
此外，授课教师要非常注重“基于书本、超越书本”。比如香农（Shannon）采样定理认为：对于一个连续信号来说，当采样角频率是该连续信号所含最高次谐波频率两倍以上的话，即能做到一个周期内采样两次以上的话，那么经采样后所得到的脉冲序列，就包含了原连续信号的全部信息，可通过理想滤波器把原信号毫无失真地恢复出来。这一表述在数学理论上是没有任何问题的，但在实际工程项目中往往是行不通的，比如一个正弦曲线的测试，一个周期里只采样两三个点的情况下，几乎没有可能复现原信号。类似于这样的问题，授课教师需要在授课过程中向学生特别强调。
2.4计算机辅助教学
由于《自动控制原理》在授课过程中涉及到的数学公式、图形（结构图、框图、根轨迹图、伯德图等）比较多，非常不方便在课堂上进行直接板书，一旦板书不清楚会直接影响学生的学习效果。而这些公式和图形是非常适合以幻灯片（PPT）的形式来进行表述的，学生也更乐意看到这种方式。北京理工大学授课教师同样采用了以PPT为主的授课模式，配以适当的动画，给学生一个更为直观的展示。如在讲授动态性能指标的时候，延迟时间、上升时间、峰值时间、超调量、调节时间等名词的定义并不是那么容易理解，但通过动画的形式就可以很清楚、明了地向同学们展示这些概念的不同，学生反映良好。再比如在讲授不同阻尼比情况下二阶系统单位阶跃响应特性的时候，只靠文字表述“随着阻尼比的增大，系统的响应越快，但超调量越大”的话，大部分学生是比较茫然的。如果换成通过PPT展示给同学们如图4所示的响应曲线时，就会一目了然，同时，还有助于同学们掌握零阻尼、欠阻尼、临界阻尼、过阻尼等情况下单位阶跃响应特性的不同。
MATLAB是学习《自动控制原理》的学生必须掌握的一个计算机辅助分析工具。实际上，一个令人引以为傲的事实是，北京理工大学航空航天类专业本科生的MATLAB基础知识都是在《自动控制原理》的课堂上学到的。由于年轻学生对新鲜事物天生的好奇感，当他们看到教材上一幅幅精美的图片是通过MATLAB展示在自己面前的时候，不但会加深他们对所学知识的理解，更会激发他们学习这门课的热情。比如讲二阶欠阻尼系统阶跃响应的时候，可以首先引导学生思考一个问题：“既然阻尼比越小，系统响应越快，超调量越大，那怎么来选择合适的阻尼比呢？”然后再用教学计算机上装载的MATLAB画出图5，这是阻尼比位于[0.10.9]之间，以上升时间为横坐标、超调量为纵坐标的Pareto图，同时在图中标示阻尼比分别为0.4、0.707和0.8所对应的点。以这个直观的示意图做基础，同学们就很容易理解为什么工程上一般要求阻尼比在[0.4 0.8]范围内了，再告诉同学们阻尼比为0.707时控制系统效果最佳，他们也就明白了因果来源。如果更进一步画出阻尼比分别为0.6、0.707和0.8时候的单位阶跃响应曲线来，如图6所示，同学们就会有一个更加明确和直观的印象。此外，授课教师还可以通过课下作业的形式，引导学生利用课堂所学知识编程实现更复杂的响应曲线，使学生可以亲身感受到响应曲线随不同参数变化的规律，不但可以加深学生所学的理论知识，还有助于学生掌握辅助软件的用法。
用MATLAB辅助教学可能会带来的一个副作用就是，同学们可能觉得只要掌握MATLAB就可以了，而忽略了自动控制本身的基本原理和定性的分析方法。这是授课教师在教学过程中需要重点留意并刻意避免的问题之一，北京理工大学授课教师在每次用MATLAB辅助教学时，都会强调基本原理的重要性，同时会刻意用所学的定性分析方法来评估MATLAB结果的正确与否，并一再强调，MATLAB只是一个辅助大家进行控制系统分析的工具，不能取代大家所学的基本原理和分析方法本身，考试中也不会考这方面的内容。
2.5注重前后串联，建立系统概念
《自动控制原理》本身的讲授内容多、跨度时间长，而且学生同时还在修习其它课程，所以用在《自动控制原理》这一门课上的时间是极其有限的。而且一般教材也更倾向于将每个章节的内容独立出来，如仅仅在第二章讲述控制系统模型的建立方法，在以后的学习中就直接拿现成的传递函数来用；再如第三章讲述时域分析法之后，在后续章节的讲述中几乎不会再涉及。很可能造成的一个后果就是学习过程中常常不清楚各个知识点之间的相互联系，也无法真正的做到融会贯通，在遇到实际的工程问题时就会显得束手无策、不知如何下手。这需要授课教师帮助同学们理清线索，弄清楚各个章节之间的因果关系。
篇5
自改革开放到21世纪初期，中国的发展世界瞩目，我们不论在政治、经济、文化等方面都取得了长足的进步，中国已成为名副其实的世界大国，取得这样的成就，在很大程度上依赖于我国推行的科教兴国战略所造就的庞大的优秀人才队伍。然而，不容忽视的现实是，目前我国培养的工程师队伍虽然已经超出美国的10倍，但是工程师的整体知识水平、设计能力，尤其是优秀工程师的总体质量与美国、德国和日本等发达国家甚至一些发展中国家都有很大的差距[1]，具体表现在工程教育方面就是教学内容与产业需求相脱节，工程实践经历缺乏，工程师培养体系不够健全等。导致这些问题的深层次原因主要在于我国的工程教育依然停留在科学范式而不是工程范式，工程教育过分强调了工程科学，而忽视了诸如设计等实践能力培养的环节[1-2]。工程教育不同于自然科学教育，它是一种以技术科学为主要学科基础，以培养工程技术人才为主要目标的专门教育[3]。即工程教育的目的就是培养工程师，这一理念在包括像MIT这样的世界一流大学早已达成共识，MIT的毕业生，无论学士、硕士或博士，到公司就职就是担任工程技术人员。通过工程教育提高工程师教育的水平，完成这一目标有两点很重要：教育的方式和教育的工具。PBL是一种应用广泛学科教学方法，它不仅仅使学生获取知识，并且要求他们学会运用知识。让学生能够将新的信息与学过的知识结合起来明白他们应该如何应用掌握知识。在建立学习的框架时，应当特别注意学生已有的知识基础并且激活这些知识。加快新信息的处理和帮助学生建立有意义的联系是教育和学习的基本要求。PBL促进学生主动参与和学习。学习变成一个发现的过程――讨论问题、研究背景、分析解决方法、设计方案、得出最终结果。这种主动学习方法不仅对于学生来说更加有趣，也使学生们对资料有了更深的了解。近年来，我国教育界的学者和奋战在一线的教育工作者们以这种理论为基础，针对我国教育教学的实际情况，进行了一系列基于PBL理论的教育教学改革理论研究和实践，取得了一定的效果。近年来，“小卫星”已经成为航天发展的热点话题，而将小卫星作为航天工程教育的平台，也越来越成为一种趋势。以小卫星作为载体开展航天工程教育的优势在于：（1）成本低，多数大学里的实验室都可以开展这类项目;（2）开发周期短（一年到两年），学生可以在毕业前看到项目成果;（3）体积小，重量轻，使制造和测试可以在比较狭小的大学实验室内进行;（4）复杂度适中的卫星系统，使学生在参与整个卫星系统工程实施的过程中，能够获得一些具体的系统或子系统经验。作为教育工具，小卫星的重要意义在于：可由学生自主设计、制造甚至发射升空，即使不能发射，也应在与实际发射相似的环境中进行测试。这一点非常重要，因为这样学生可以得到真实情况的反馈，虽然有时实验会失败，但失败也都是下一次实验成功的基石。“设计-制造-测试-总结-再设计”这样的系统循环设计模式，可以很容易地在机器人或计算机这类领域实施，但空间系统发展所需的巨大成本和少有的发射机会让我们不得不停止发展空间教育中的这类循环模式。而小卫星计划可以提供一个工具以实现该模式。
一、基于问题的学习
基于问题的学习是一种以学生为中心的主动型教学模式和课程体系设置方法，其最初是由加拿大的麦克马斯特大学（McMaster University）医学院于20世纪60年代在医学课程教改中逐步形成并提炼出来的。在PBL中，教师根据课程要求和学生的知识基础预先定义一个不完整的或劣构的问题，然后让学生进行研究，理论联系实际，运用已掌握的知识和技能提出解决问题的可行方案，让学生亲身参与问题求解的每一个步骤和知识构建的过程，从而将其先前获得的知识和经验很好地整合起来，使已有知识结构得到完善的同时达到对新知识的理解与掌。
1.目标和基于问题的学习法的特点。基于问题的学习方法的主要目标不仅仅是让学生获得知识，并且要运用知识。PBL重视模型和问题的解决。它试图模拟现实生活中的工程研究和开发过程。Barrows这样描述PBL的主要特点：（1）学习是以学生为中心的，即学生选择怎样去学习和他们想要学习的内容。（2）学习在小团体中展开并且提倡协作学习。（3）老师是促进者、引导者或教练。（4）问题形成组织重点并刺激学习。（5）问题是拓展真正的问题解决能力的工具。（6）新的信息是通过自学获得的。
2.PBL工程教育案例――麻省理工学院航空航天工程系。几年前，在麻省理工学院的航空航天系成立了一个由教师和科研人员组成的新战略计划小组，专门负责课程改革。为了强调教育以学生为中心，讨论小组花费了一定的时间和精力通过对项目和学习成果进行验收，设计了新的教学方法，建造与之配套的实验室。尽管基于问题的学习是关键，但它不是课程组织的原则。新的航空航天工程课程以现实生活中产品完整的生命周期工程为背景，即构思、设计、实施和执行（CDIO），结合设计建造经验，贯穿于整个项目中。接下来就是从简单的项目到高度复杂的系统设计建立过程，以及从中取得的经验教训。第一年，在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、构思并且试飞的由无线电控制浮空飞行器（LTA）。第二年，在《联立工程学》课上，学生们设计、搭建并且试飞了无线电控制的电推力飞行器。在一些比较深入的课程例如《空气动力学》课上，从工厂或者政府以往项目中提出航空工业中很常见一个实际的问题，像是以洛克希德・马丁战术飞机系统为模板提供项目设计方案。高级课程完全利用基于问题的学习方法，如：《实验项目实验室空间系统工程》、《CDIO高等课程》。在这些PBL体验中，学生发现自己感兴趣的问题，通过做实验找到解决方法，并用多学科方法设计出复杂系统。麻省理工学院航空航天系“复杂系统学习实验室”的主任提出了一个对于基于问题的学习方法的分类框架（见表1）。它将问题分为四个等级，给出了解决基础科学及先进工程课题的系统方法。
一级：问题集。问题集是指在大多数工程课程中发现的传统问题。它们往往具有一定的结构与较成熟的解决方案（至少问题的设计者知道）。所有学生解决同样的问题，有时独自解决，有时以小组形式解决。问题需要在相对较短的时间内解决。二级：小型实验。小型实验是指在结构化问题下的实验课。例如测量或观察某种工程现象或数据。这些问题在一或两个学期内解决，可以“重复地进行”，也就是说，每个学生团队解决与其他团队同样的问题。在麻省理工学院有许多例子，如《联立工程学》课上的桁架实验室，《空气动力学》课上对在风洞中的流速计的校准，《航空航天设计导论》课上对空气动力减速器的各种测试。三级：大型实验。比起前几个阶段，这个阶段的问题需要更长的时间去解决，可能会耗费几周或整个学期。到了这个阶段问题明显复杂了很多，需要更多的规划和教员支持。在麻省理工学院有许多如是例子：《实验项目实验室》课上的风洞试验、飞行器模型项目，《空气动力学》课上的机械项目，《航空航天教育导论》课上的轻于空气的飞艇，《联立工程学》课上的电动飞行器设计等。四级：顶级CDIO实验。这个阶段在系统中整合了核心工程的顶级实验。麻省理工学院的航空航天工程项目用构思-设计-实施-操作（CDIO）的方法来设法更接近于实际工程。在顶级实验中，工程的四个阶段都将涉及。顶级实验室的项目均为研究的重点，需要更多的资金，工程的复杂度和依赖经验的程度也很高。例如麻省理工学院的自主卫星光学阵列项目和磁控编队飞行器。四级的项目需要学生、老师和研究员花费三个学期去完成。可以看出三级和四级问题的解决过程是由学生主导的、不受约束的、复杂的、多方面的且具有很高的主动性过程，符合之前所说的PBL标准。然而一级和二级中的项目体验过程更结构化，在这个过程中学生体验到关于问题构想的有用指导，使用工具进行研究发现。基于问题的学习方法和设计-制造经验贯穿了整个麻省理工学院航空航天工程系的本科生阶段。使用四个等级的框架来层次化PBL体验过程确保了从高度结构化问题到无约束和复杂问题情况的合理推广。
3.基于问题的学习方法的评估。基于问题的学习方法的评估是多模式和长期性的。这些方法包括实验室期刊、技术简报、设计审查、技术报告、团队协作评估、设计作品、互评和自评。教师的角色主要是顾问和指导员，以及在学习过程中为学生提供大量反馈信息。在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、制造并试飞由无线电控制的浮空飞行器，设计审查作品和最后的评估工作都是由飞行器竞赛的方式进行。在《综合工程》课的飞行器设计项目中，二年级学生分析在问题集中与气动性能、稳定性和推进装置有关的问题，并动手组装和试飞无线电控制的电推力飞行器。与第一年的课程相似，评估手段包括问题集、设计审查以及最后的一场比赛。
除了评估认知能力的培养效果，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。这些情感变化可以通过观察、访谈、作品、期刊和其他形式的自评进行评估。
二、小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合途径
在全球化大背景下，除去意识形态的差别，世界人才的标准正趋于统一。根据著名的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即：构想-设计-实现-运作）工程教育模型，工程教育包括以下几大培养目标：掌握深厚的基础知识和应用技术;善于构思、设计、实现和运作新产品或系统的能力;承担和实施复杂系统工程的能力;适应现代团队协作开发模式及其开发环境。这些目标是直接参照工业界的需求而制定的，它实际上定义了现代工程技术人员的素质构成。
1.小卫星作为航天工程教育的意义。小卫星为空间发展提供了的一条新途径，这是与以往基于传统空间开发模式的“政府导向的大型项目”完全不同的。此外，NASA已经开展了很多项目为大学提供发射机会，让他们逐渐学会如何开发、运营卫星。超小型卫星计划是其中一个著名的案例，选定十所大学并给予他们项目资金，最终的成品将搭载航天飞机发射上天。凭借多年的项目经验，一些大学已经能够制造卫星，甚至出售卫星给其他大学或国家。小卫星为大型卫星上已经实现的一些任务提供了一条新的实现途径。一定数目的小卫星协作是一个非常重要的概念，通常被称为“星座”或“编队飞行”。这种多卫星体系的优点是容错量大、重构能力强、系统的可扩展性好。
2.基于小卫星平台的航天工程教育项目。小卫星的操作训练为大学生的太空教育提供了一个特别的机会，让他们能够体验从任务创建、卫星设计、制造、测试、发射、运行，直到结果的分析的整个太空项目周期。同时他们还能从这些项目中学到项目管理和团队协作等重要技能。小卫星项目不仅对教育有益，而且有望成为太空技术发展与商业运营中的一名新成员。（1）日本卫星设计大赛。上世纪90年代初期，日本的大学小卫星研究项目远远落后于美国和欧洲各国。然而，在意识到了小卫星在教育和技术发展上的重要性后，日本国内开始大力推动高校小卫星设计-制造计划。第一个里程碑是“卫星设计大赛”。1992年三个学术社团共同成立了大赛组委会，他们分别是JSME、JSASS与IEICE。经过一年时间的准备，于1993年举办了第一届比赛。这项比赛的目的是为更多的大学生提供参与太空项目的机会，同时鼓励一流大学开始进行实体卫星的制造项目。评审项目分成两大类，创意类评审该项目的创意与想法，设计类评审卫星设计的可实现性。提交的项目首先会进行初步的评审，合格的项目才能入围最终的决赛。届时，将进行卫星模型的展示和评审。优秀的作品将获得“设计奖”、“创意奖”以及三大学术社团颁发的奖项。大赛每年都会收到20到30个创意独特的项目。（2）大学空间系统研讨会（USSS）以及CanSat项目。USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小卫星工作组在夏威夷举办。研讨会的形式十分独特，出席会议的日本和美国的大学首先提出自己卫星项目的构想，以及各大学自身的科研实力，然后将具有相同兴趣、能力或科研实力的大学进行组队。各组展开讨论，在一天半的研讨会后，各组需要向其他组展示他们的项目设计书。这些项目要在USSS结束后的一年内实施，他们的成果将在下一年的USSS上展示。其中最成功的项目就是CanSat（罐装卫星）项目了。CanSat项目是1998年由特维格教授提出的。在最初的计划中，每所大学都要制造一个350mL饮料罐大小的微型卫星，卫星将被发射到轨道上，在下一年的USSS上进行控制操作。（3）立方体卫星。立方体卫星项目由特维格教授在1999年的USSS大会上提出。立方体卫星为重1kg，长宽高均为10cm的微型卫星。每所大学制作的立方体卫星都被放在一个名为“P-POD”的盒形载体内，它由俄罗斯的“第聂伯”火箭装载发射升空。为了减少立方体卫星和P-POD之间的机械和电气接口，P-POD释放机制设置得非常简单：当P-POD的门打开，里面的立方体卫星就被P-POD末端的弹簧弹出。东京大学和东京工业大学已经开始了立方体卫星项目，并大致完成了设计和EM级别的模型制造。这些大学的学生已经在立方体卫星项目中获得了微型卫星开发的基本专业知识。但他们现在需要面临新的挑战：如何使用现成的廉价的部件设计可靠的空间系统，如何进行空间环境试验（如真空热或辐射试验）并获得试验结果，以及如何处理更大的风险，更多的人力资源、时间和成本。目前计划于2002年底发射第一个立方体卫星。（4）欧洲大学生月球轨道航天器。欧洲大学生月球轨道航天器ESMO是欧空局教育卫星计划的第四项任务，它是基于“欧洲大学生太空探索与技术倡议”计划中的“SSETI-Express”卫星。ESMO项目是为了吸引和培养下一代的月球与其他行星的工程师和科学家。航天器有效载荷包括：船载液压双组元推进系统，用船从地球同步轨道通过“日地系统中的拉格朗日点L1”转移到绕月运行轨道的过程，历时3个月;表面光学成像的窄角相机和一个用于测绘全球引力场的子卫星，将在历时超过6个月的时间里执行测量任务;可供选择的载荷还包括一个生物实验和一个微波辐射计。ESMO项目是未来欧洲的科学和勘探计划的一个强大的动手教育和公共宣传工具。它是一个面向大学生的项目，训练和培养了下一代的月球任务的工程师和科学家。
三、建立基于PBL的航天工程教育实验平台和培养范式
我国在“十二五”规划中提出了“创新驱动，实施科教兴国战略和人才强国战略”，要“围绕提高科技创新能力、建设创新型国家，以高层次创新型科技人才为重点，造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。实施PBL教学是一项系统工程，由于受国情、传统教育教学模式和人才培养机制的约束，在中国工科大学中实施PBL教学存在问题案例少、实施成本高、评价方式单一和师生角色僵化等问题，因此，需要根据我国工程教育的现状和国情对PBL教学进行本地化处理，不能生搬硬套，具体来讲有以下几个方面需要注意。
1.树立以学生为中心的教学理念。树立以学生为中心的教学理念是实施PBL教学的前提条件，PBL强调以学生为中心，作为PBL教学的实施者，教师必须要深刻认识到这一点。
2.根据具体航天任务设计问题。丰富的问题案例是PBL教学成功的关键。每门专业课的设置都是基于学生已具备一定的先修课程基础为前提，但个体的差异不容忽视，教师或教师团队在进行某课程PBL问题设计的时候要充分了解学生的知识基础，结合具体的实施条件进行问题案例的设计。为了保持热情，学生们可以一种竞赛的形式开始项目，学生们互相分享自己的认识，用自己的双手选择出最吸引人并且最有意义的项目。
3.提高卫星实验平台的开放性与多样性。除了教育实践空间项目对航空航天教育带来的价值之外，学生建造空间项目长期承诺创新型大学的任务是可直接有利于空间行业本身。目前，各大学中设立的大学或研究生开放实验室及其配套的开放创新基金都是一些很好的尝试，取得了很好的效果，但其范围需要扩大，让大学生能够进入一些比较前沿的和良好国际合作背景的研究型实验室，使其很早就能受到良好的学术熏陶，以促进其产生向更高层次发展的内部动机和欲望。
4.加强学习能力的培养。发展学生的学习能力，使其成为高效、独立的终生学习者是PBL的重要目标之一。通过参加PBL学习，让学生明白学习不完全是个人的事情，在PBL小组中每个学生都担当一定的角色，并承担相应的责任，在小组讨论中无私贡献自己的学习成果，并吸取其他成员的学习成果，达到共同进步。
5.建立合理多样化的评估体系。在实施PBL的过程中，可以采用学生自我评价、同学互评及教师评价相结合的办法，注重学生的过程表现，而不是结果。创新人才的多样性和创新思维的多样性决定了我们不能用一刀切的方法来评价学生，而是要采取灵活多样的评估体系，建立激发创新的长效机制。除了评估认知能力的发展和成就，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。
四、结论
PBL植根于建构主义理论之上，强调发现和知识意义的构建，是一种先进的培育创新精神和激发创新思维活动的教学/学习方式。PBL强调以学生为中心，问题、教师和团队学习是PBL教学法实施的三大关键要素。本文在总结PBL理论的基础上，在此基础上根据我国航天工程教育的现状，从国外几个航空航天教育典型案例吸取经验，讨论了以小卫星作为航天工程教育工具的重要性;其次，叙述了它作为太空技术发展新成员的重要性。探讨了基于PBL理论的航天工程教育在学生群体中推行的途径，期望能促进教育工作者对有关问题的思考。
由学生运作卫星项目极具挑战性，但这会给参与项目的学生和院校带来巨大回报。这些项目提供大学生关于设计、分析、测试、制造和操作空间系统方面的实践经历。有证据表明，参与空间飞行器设计项目的学生，能力得到显著提高。统计证据也显示如果相当数量的大学参与空间飞行器设计活动，进入空间领域工作的学生数量会显著增长。
参考文献：
篇6
北方三所高校算是材料科学与工程领域传统名校，值得注意的是，它们却均未设置专门的纳米材料研究机构，更多的是依托原有的强势学科，在传统材料研究领域引入纳米科技，寻求突破。
北京科技大学
北京科技大学原名北京钢铁学院，曾被誉为“钢铁摇篮”，其材料科学研究侧重点是金属材料。除了材料学院这个重点学院外，从事材料科学研究的还有新金属国家重点实验室、高效轧制国家工程研究中心、国家材料服役安全科学中心等机构，侧重点也不局限于金属材料，在无机非金属、高分子、生物医药材料等方面亦有建树。
目前，北科大纳米材料课题组主要研究纳米材料制备与表征、纳米材料改性、功能纳米材料等方面。此外，亦有部分老师研究纳米加工、纳米组装、纳米器件等应用方向。
北京航空航天大学
与北科大不同，北航材料学院在北航不属于重点学院，规模较小，师资力量仅百来人，这决定了北航材料学院的研究方向不会太广。作为航天航空院校，北航材料学院也有自己的优势，正在筹建的航空科学与技术国家实验室（航空领域最高级别实验室），它的侧重点在金属材料、树脂基复合材料及失效分析、先进结构材料、新型功能材料等方面。
在纳米材料上，北航材料学院重点关注纳米器件和纳米涂层。材料学院的纳米材料研究发展趋势可能是纳米技术在航天航空领域的应用。
大连理工大学
大连理工大学的材料学院在金属材料、材料加工方面实力强，基于大连的地理位置，材料学院还开设了五年制金属材料工程日语强化班。不过，纳米材料与技术专业并非隶属于材料能源学部，而是化工与环境学部。因而，大连理工大学的纳米材料研究偏化工类，包括纳米粒子合成化学技术、无机纳米功能材料、纳米复合材料等方向。纳米材料与技术专业开设的专业课中，亦有化工原理、基础化学、材料化学等化工类课程。可以说，这是大连理工大学纳米材料与技术专业的一大特色。
与北方三所高校相比，苏州大学和南京理工大学纳米材料与技术专业的发展方向截然不同。两所南方高校均成立多个纳米材料研发机构，在研究方向上，两所高校侧重于纳米材料器件应用，尝试产业化。这些特点可能与江浙一带出现纳米高新技术企业有关。
苏州大学
苏州大学没有材料科学与工程学院，而是材料与化工学部，研究偏向化工，在无机非金属、高分子材料方面实力不错。纳米材料与技术专业并没有开设在材料与化工学部，而是2010年成立的纳米科学技术学院。除了纳米科学技术学院，苏州大学研究纳米材料的机构还有2008年成立的苏州大学功能纳米与软物质研究院、2011年成立的苏州大学-滑铁卢大学苏州纳米科技研究院。其中，以中科院院士李述汤教授领衔组建的功能纳米与软物质研究院已初具规模，它以功能纳米材料和软物质为研究对象，侧重于功能纳米材料与器件、有机光电材料与器件、纳米生物医学技术等，寻求在纳米器件以及新能源、环保、医用等领域的应用。
南京理工大学
南京理工大学由军工学院演变发展而来，其材料科学与工程学院的材料学研究侧重于金属材料及复合材料。不过，南理工是国内最早开展纳米材料与技术研究的大学之一，正筹建纳米结构研究中心，研究侧重点是与纳米结构材料相关的分析、材料力学、电化学性能评估等。由南理工化工系和南京部分企业共同支持的南京市高聚物纳米复合材料工程技术中心，研究侧重点是纳米材料制备、应用、纳米催化聚合反应、纳米复合材料，该中心已与江苏部分纳米企业开展纳米技术产业化合作。此外，南理工还共建了金属纳米材料与技术联合实验室。
其他高校纳米特色
上海交通大学
上海交通大学材料科学与工程学院在各类相关排名中居首，教职工200多人，研究侧重点包括金属材料、复合材料、塑性成形、轻合金精密成型等，在中国是材料科学与工程学子公认的梦想学府。其材料学院也涉及纳米材料，比如，复合材料研究所部分老师从事纳米复合材料研究，微电子材料与技术研究所从事纳米电子材料研究。此外，上海交通大学还成立了微纳科学技术研究院，研究方向为纳米生物医学、纳米电子学与器件。生物医药工程学院也开展纳米材料的可控合成与制备、纳米生物材料等方面的研究。
清华大学
与北京航空航天大学相似，清华大学材料科学与工程系是学校名气大于院系实力，每年有数百人争夺材料系不足30个研究生名额。材料系建有新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，研究侧重点以陶瓷材料为主，同时涉及磁性材料、复合材料、电极材料和核材料。在纳米材料方面，清华材料系主要研究纳米材料结构、纳米材料合成和微纳米颗粒等。2010年，清华大学成立了微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，主要研究微纳米器件、纳米复合材料在电能存储上应用和微纳米设备研发等。
北京大学
北大材料科学与工程系成立于2005年，教职工10余人，成立之初就把材料科学与纳米技术结合起来，欲在纳米材料与微纳器件方面有所突破。此外，北大成立了纳米化学研究中心，教职工7人直博生却达45人，主要研究领域包括低维新材料与纳米器件、纳米领域的基本物理化学问题。
西北工业大学
西工大是西部材料科学与工程实力最强的院校，其材料学院师资队伍近200人，有凝固技术国家重点实验室和超高温复合材料国防科技重点实验室。因此，其研究侧重点在凝固，复合材料和金属材料的实力亦不俗。在纳米材料方面，西工大成立了微/纳米系统研究中心，致力于航空航天微系统技术、微纳器件设计制造技术、微纳功能结构技术。总之，西工大的纳米材料研究可能集中于纳米器件在航天、航空、航海方面的应用。
留学两大国
纳米技术是交叉学科，包括纳米科技、物理、化学、数学、分子生物学等课程。报考纳米专业或方向的研究生在本科一般学的是材料学、材料物理与化学、凝聚态物理、物理化学等。就留学而言，由于纳米材料处于基础研究阶段，容易；各个国家在纳米材料方面投入大量资金，使得科研经费相对充足，相比于其他专业容易申请奖学金。这两点决定了留学攻读纳米技术专业研究生相对容易。
2000年，美国白宫国家纳米技术计划，美国的纳米技术得到飞速发展。总体上看，美国的纳米技术已经处在纳米技术实用化阶段，而其他各国仍处在纳米技术的基础研究阶段。美国各大高校也争相进入纳米材料各个研究领域——
实力强劲的麻省理工学院在太阳能存储、航空材料、燃料电池薄膜、封装材料耐磨织物和生物医疗设备领域的碳纳米管、聚合纳米复合材料等方面成果显著。
加州大学伯克利分校注重于纳米材料在能源、药物、环境等方面的应用，已卓有成效。
哈佛大学则侧重在生物纳米科技，即生物学、工程学与纳米科学的交叉领域。
康奈尔大学已经在纳米级电子机械设备、碳纳米管应用电池、纳米纤维等方面获得突破。
斯坦福大学重在纳米晶的光学性能、输运性能和生物应用，以及纳米传感器、纳米图形技术等。
普渡大学的纳米电子学、纳米光子学、计算纳米技术，尤其是计算纳米技术全球领先。
纽约州立大学奥尔巴尼分校专注于纳米工程、纳米生物科学，其纳米技术研究中心是全球该领域最先进的研究机构。
莱斯大学在纳米碳材料领域成果显著，在学校的研究人员中，纳米材料研究人员的比重约为四分之一，是美国纳米材料研究人员最多的大学之一。
此外，美国有很多研究纳米技术的实验室，它们比较愿意招中国大学生，这一点也值得注意。
日本算是最早开展纳米技术基础及应用研究的国家，早在1981年，日本政府就建立了纳米技术扶持计划。美国公布国家纳米技术计划前，曾派人去日本做调查。日本纳米技术的研发特点是企业界是主力军，它们试图将纳米技术融入到产业中。比如，日本企业纷纷斥巨资建纳米技术研究机构，同时建立纳米材料分厂实现产业化。此外，企业与大学、科研院所合作，开发纳米技术。比如，富士通和德国慕尼黑大学合作，三菱公司和日本京都大学合作。
与美国在纳米技术基础研究和生物工程技术领域领先不同，日本在精细元器件及材料的制造方面独占鳌头，日本对纳米材料研究的投入不断加大，也使得去日本读纳米专业是一个不错的选择。
Tips：何去何从
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1 引言
高等教育承担着人才培养、科学研究、社会服务和文化传承四大任务，其中，人才培养是核心。创新能力和实践能力培养是人才培养的重中之重，是衡量人才培养质量和教育教学改革效果的重要指标。2011年4月，同志在清华大学建校100周年大会上指出，高等学校要把提高质量作为教育改革发展最核心最紧迫的任务，创新教育教学方法，强化实践教学环节，形成人才培养新优势[1]。建立创新实践基地，开展创新实践活动，是提高高校学生创新能力和实践能力的有效方式。国外的剑桥大学、麻省理工学院、多伦多大学、普度大学、波士顿大学等很早就已积极探索本科生、研究生创新实践活动组织形式，开设了形形的创新实践项目。
浮空飞行器是指依靠浮力升空的无动力飞行器，包括高空科学气球、飞艇等。浮空飞行器具有可快速部署、操作使用方便、经济性好等诸多优点，无论在军事领域，还是在民用领域，都具有广阔应用前景。尤其随着世界各国对临近空间开发利用的高度重视，平流层浮空器的研究和发展更是受到极度青睐[2]。
近年来，在国外高校开展的学生创新实践活动中，浮空飞行器类项目占有重要地位。据不完全统计，全世界目前有50余所大学组织开展以高空气球为工具的临近空间探测等研究，其中，绝大多数项目都有本科生。本文对国外高校浮空器类学生创新实践活动的开展现状进行系统总结，对其特点进行深入分析，对国内高校开展学生创新实践活动，充分发挥创新实践活动在人才培养中的作用重要现实意义。
2 国外高校浮空飞行器学生创新实践项目概况
据不完全统计，国外目前有50余所大学组织开展以高空气球为代表的学生创新实践活动，本节选取实践项目特色鲜明、实践内容丰富、较具代表性的典型大学开展的典型项目进行详细介绍。
2.1 高空学生平台（HASP）
高空学生平台（High Altitude Students Platform ，HASP）是首个专为单次飞行搭载多个有效载荷而设计的高空气球平台项目，由Louisiana州立大学、美国航空航天局（NASA）气球项目组（BPO）、哥伦比亚科学气球站（CSBF）等共同发起，Louisiana州立大学主导[3]。项目旨在为学生提供在临近空间实现较长时间飞行的实验机会，培养新一代航空航天科学家和工程师，以解决美国目前空天领域专业人才紧缺的危机。
HASP可用零压聚乙烯薄膜气球将12个学生有效载荷搭载至36km的高空，航时可达15-20小时。项目首次飞行是在2006年9月4日，平台共搭载了8个学生有效载荷。在HASP项目实施过程中，学生将完成整个气球相关的所有分系统设计、制造、测试、发射等活动。自2006-2012年，HASP项目每年至少安排一次飞行试验活动。多年来，参与HASP项目的学生人数稳步上升，美国国内共计有27个独立机构将HASP作为学生培训项目的一部分。从2011年开始，HASP开始向国际学生团队开放，加拿大阿尔伯塔大学在2011年作为首个国际团队参与其中。
2.2 Montana州立大学高空气球学生实践项目
BOREALIS高空气球项目是美国Montana州政府支持的学生创新实践项目[4]。在项目中，来自不同专业的学生一起构想，设计和制造自己的有效载荷并放飞至30km的高空。BOREALIS在Montana州立大学和Montana大学有两个独立完整的气球项目，其余规模较小的学校则仅负责开发有效载荷，并与这两所大学进行合作飞行。
在2011年BOREALIS项目中，由6名工程专业的学生组成一个跨学科项目团队设计高空气球有效载荷。有效载荷携带一个由Montana州立大学研发的辐射传感器。有效载荷的设计和原型制作作为一个为期8周的暑期项目，于6-8月份进行，项目预算约450美元，所有参与此项目的学生在这个跨学科项目团队中遵循系统工程的原则进行合作，开展包括方案设计、分系统设计、项目风险评估、半实物仿真等内容的所有工程流程研究。
2.3 Alberta大学高空气球计划
加拿大Alberta大学的高空气球计划是学校组织的、以学生为主体的科技创新实践活动，旨在通过学生参与活动，使其获得相应的科学研究、工程项目方面的经验。Alberta大学高空气球计划（UAHAB）启动于2009年秋季，2010年秋季得到加拿大航天局的资金支持，同时其成员被选派参加了高空学生平台（HASP）项目，开发了“枫叶粒子探测器”，成功的组织和完成了相关任务[5]。UAH队对2011年HASP的成功参与，极大地鼓舞了周围的学生，激发了Alberta大学学生对于高空气球计划的热情。UAHAB迄今已经进行了十多次相关试验，形成了UAHABXX系列，项目最近一次放飞试验是在2012年3月25日，有效载荷重量为15kg（包括相机和加速度计），最大飞行高度28km，飞行时间1小时56分钟，飞行距离约130km。
3 国外高校浮空飞行器学生创新实践项目的启示
3.1 注重通过创新实践活动培养学生的知识运用能力、实践能力和创新能力
知识运用能力、创新能力和实践能力培养是高等院校人才培养工作的关键内容，也是国内外高校开展学生创新实践活动最直接的目的。纵观国外高校开展的浮空类创新实践项目，无不将上述三种能力培养摆在极其突出的地位，鼓励学生充分利用所学理论知识解决实际问题，通过动手实践，将创新性设想应用于解决实际问题，强化知识运用能力，提高动手实践能力，培养创新思维，培育创新素养。除本文第二节提到的项目外，Louisiana州立大学的学生航空促进计划，提出所谓“爬，走，跑，飞”循序渐进飞行器实践教学方法，首先将广泛学科内容知识和亲身体验教授给学生，然后让学生应用这些知识进行小型气球有效载荷的设计，制造，测试和操作，学生在实践活动实施过程中，可大胆设想创新，提出新概念、新思想并进行应用。
3.2 注重通过创新实践活动培养学生的团队合作精神
人类科技史表明，绝大多数成功的科学家都具有良好的团队协作精神[6]。大力协同、合力攻关的团队协作精神，是从事现代重大基础科研项目、大型工程项目等必备的科研素养。国外高校充分利用浮空飞行器创新实践项目系统性强、分系统众多（包括蒙皮、结构、能源、控制、载荷、推进等若干子系统）、参与学生多的特点，在创新实践活动实施中，安排多名学生共同完成实践项目，集智创新，合力攻关，很多大学甚至采用了校校合作方式，让学生与很多新面孔开展合作，如第二节提到的众多高校参与的高空学生平台计划，很好地培养了学生的团队协作精神和集体荣誉感。
3.3 注重通过创新实践活动培养学生的工程素养
在校期间所学知识技能与工程实际脱钩，缺乏工程素养，毕业后无法很快适应岗位要求，在很长一段时期内都是国内外高校人才培养共同面临的问题[7]，因此，国外高校在浮空器创新实践活动实施过程别注重引发学生对工程项目的兴趣，借鉴工程模式组织实践活动，培养学生良好的工程素养。如Louisiana州立大学的学生航空促进计划的一个很重要的目的就是，吸引更多学生参与航空相关工程项目，为学生提供项目管理、数据的收集、分析和解释等工程经验。
3.4 注重实践项目设置规划，由简到繁，持续发展，形成系列
实践项目设置是学生创新实践活动别关键的内容，直接关系到创新实践活动的效果。国外高校特别注重创新实践项目长远规划和持续发展，按照由简到繁，由易到难原则，建立项目系列，一脉相承，逐年逐步有序推进。本文第二节中介绍的高空学生平台项目，无论是气球，还是有效载荷，都形成了系列化，按照飞行试验开展年份，命名为“HASP+发射年”，如HASP2010。
参考文献：
[1].在庆祝清华大学建校100周年大会上的讲话[N].人民日报，2011-4-25（2）.
[2]姚伟，李勇，王文隽.美国平流层飞艇发展计划和研制进展[J].航天器工程，2008，（2）：69-75.
[3]T G Guzik， J P Wefel. Student Ballooning and the High Altitude Student Platform [C]. NSG Directors Meeting， Baton Rouge， 2009.
[4]Montana Space Grant Consortium. The Montana Space Grant Consortium Ballooning Program Handbook [Z]. Bozeman： Montana State University， 2004.
[5]The Auburn University Student Space Program [Z]. Auburn University， 2007.
[6]武小梅，王星华，刘艺.基于实训教学的工程素养和创新能力培养[J].中国电力教育，2010，（30）：133-134.
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协同创新是一项复杂的创新组织形式，为了实现重大科技创新，政府、高校、科研院所、企业等突破本体间的壁垒，而展开的多元整合的创新互利合作模式。其核心是知识增值，它是通过激活创新要素，共享创新资源，优化创新主体的资源配置，将各个创新要素不断地从不协同状态走向协同，从而追求资源要素效用的最大化。
二、交易费用与协同创新的关联
1937年，科斯在《企业的性质》中提出了交易费用的思想：“我觉察到利用价格机制是有费用的。必须去发现价格是什么。”但科斯没有直接提出这个概念。这个概念由威廉姆森提出的。威廉姆森认为，交易费用之所以存在，取决于3个因素：受到限制的理性思考、机会主义以及资产的专用性。若以上3个因素不同时存在，交易费用就不会存在。他将交易费用分为两部分：一是事先的交易费用，即为签订契约、规定交易双方的权利、责任等所花费的费用；二是签订契约后，为解决契约本身所存在的问题，从改变条款到退出契约所花费的费用。尽管协同创新中的交易存在大量的诸如搜寻成本、谈判成本、履约成本、监督成本和风险成本等交易成本，但协同创新的构建仍然不失为一种能降低交易费用的组织形式。首先，协同创新中的各单位进行资源要素的投入，这样形成了类似抵押的形式，使得各方得按照规定的规范工作，这样既降低了交易的不确定性和交易成本，又提高了交易的频率。其次，协同创新中资产专用性，使各合方维持交易的连续性，避免了资产价值因过早终止而损失，防止了机会主义，进而降低了交易成本。
三、协同创新运行中的缺失
1.政府主导发挥不足
在正常交易情况下，政府的支持和推进将有利于经济主体在交易合作中形成稳定的预期并降低交易成本，政府主导不足将不利于协同产业的发展，增加经济主体在交易合作中的交易成本。当任何一方的交易成本超过资源要素的收益时交易就可能停止，当必须交易时就会以投机方式降低实际成本支出。
2.企业动力不足
各协同体是不同性质的组织。高校、科研院所作为以人才培养、科学研究为主的非营利性组织；而企业是对市场的一种替代，它主要是以最小的成本来获取最大化的利益，是典型的营利性组织；不同组织的性质不同，所以他们追求的目标完全不相同。经济学中的成本总是指机会成本，即把相同的资源用于其他的行业当中去可以获得的最高收益，这是一种主观成本，但却是决策人面临多钟方案的行动依据。企业作为一个理性的经济主体，很可能认为不参与或不以某种方式参与校企合作获得的最高净收益要高于以某种方式参与校企合作获得的最高净收益，以至于合作积极性普遍不高。
3.沟通不畅
协同创新能够形成的一个重要动因就是能够降低通过市场获取资源的交易成本。如果因为逆向选择、道德风险等原因导致合作伙伴的选择、甄别成本的提高，那么就会从源头上削弱协同的效应。伙伴选择的风险还会增加契约制定时的沟通成本和协同过程中的监督成本，从而削弱合作的稳定性，增加合作破裂的可能。
四、以 “先进通用飞机设计制造与示范协同创新中心”为例构建协同创新机制
1.保障机制
协同创新通过资源共享、优势互补来实现“双赢”，因此，不需要过多的行政干预，但政府更多的需要组织保障。辽宁省政府为推进通用航空产业发展，将发展通用飞机列入了《辽宁省国民经济和社会发展“十二五”规划》、《东北老工业基地振兴计划》和《沈阳市装备制造业产业发展规划纲要（2009-2020年）》中。并于2012年成立辽宁通用航空研究院，于同年批准成立了“先进通用飞机设计制造与示范协同创新中心”。该中心是以辽宁省政府为主导，沈阳航空航天大学依托辽宁通用航空研究院组建的，以航空技术学科为主体，以培育通用航空产业为重点，通过与北京航空航天大学、沈阳飞机设计研究所、中航工业空气气动研究院、沈飞、中航工业复合材料有限责任公司、中国民用航空东北地区管理局等统一航空领域专业的科研和管理机构的深度融合。“先进通用飞机设计制造与示范协同创新中心”研究制造了一款立体遥感型全锂电无人机SY1，于2012年5月成功首飞；国内首架燃料电池动力无人机LN60，于2012年7月成功首飞；设计制造完成了全复合材料双座电动轻型运动飞机RX1E有人飞机，于2013年6月成功首飞，2014年11月，在珠海航展上进行展示并空中表演，是航展上唯一一架新能源通用飞机。与中国民用航空东北地区管理局组建联合团队，在其指导和监督下，于2015年顺利通过适航认证，是世界上第一款通过适航认证的双座电动轻型运动飞机。打入市场后，获得了28架订单，收到了良好的社会效益和经济效益。该中心要是没有省政府的重视和主导是不会有如此双赢的。
2.激励机制
经济学人的假设提出，任何一个从事经济活动的个体都试图要以最小的经济代价来获取最大的经济利益。在当今的市场经济下，互赢互利是合作的基础，为此，激励机制是是至关重要的，是激发合作的关键。由于协同创新各方在价值取向和获利目标上存在着较大的差别，为此就需要寻找双方利益的平衡点，塑造双方的共同目标。高校和科研机构不仅要关注人才培养、科研成果，还要看最终产品的市场潜力和利润空间以及企业的经济利益。企业应该在关注自身的经济利益的同时还要关注合作带来的名声和声誉。“先进通用飞机设计制造与示范协同创新中心”一方面采取经济激励方式，整合人才队伍、仪器设备、科研平台、资金、信息等资源，以“当量股份制”作为投入和分配机制，建立动态、高效、融合的协同创新体系。理事会对各单位投入的资源进行筛选评估确定所占当量股份比例，由科学发展咨询委员会和理事会每3年进行一次重新评估，动态调整当量股比，各协同体的收益则按照评估折算各协同体所占的当量股份比率进行分配；另一方面采取非经济方式，项目着眼于新能源通用飞机，新能源通用飞机是当前国际研究的热点和前沿，不仅符合我国新能源动力发展战略，也有利于使我国快速占领世界新型飞机的制高点。目前，拥有自主知识产权的锐翔（RX1E）双座电动轻型飞机，是世界上第一款取得适航型号设计批准证书的LSA类电动轻型飞机，开创了电动轻型飞机适航取证的国际先河，在国内和国际都享有盛誉。
3.沟通机制
要解决信息不对称所造成过高的交易成本和过高的回报风险，就需要建立信息沟通机制。地方高校与地方产业经济有着天然的联系，为此，几方通过沟通，熟知本地资源和本产业的协同体就可以降低通过市场获取资源的交易成本，避免了逆向选择和道德风险等因素。“先进通用飞机设计制造与示范协同创新中心”的建立就利用了本地区的产业资源。沈阳在航空领域有着厚重的历史，沈阳飞机设计、沈阳空气动力研究所是国家级重点航空研究所，中航工业集团沈阳飞机集团公司是国家级重点航空制造企业，沈阳航空航天大学是东北地区惟一的航空院校和中国民用航空局中九大地区管理局中之一的东北地区管理局。和熟知的同行业著名的北京航空航天大学及中航工业复合材料有限责任公司协同，经过沟通，都有意愿培育通航市场，构建通航产业，这样减少了搜寻成本和谈判成本，也避免了履约成本、监督成本的风险。经协同成立了“辽宁锐翔通用飞机制造有限公司”和“辽宁锐翔通用飞机有限公司”，来做具体的产品制造和实体运营示范。
参考文献：
[1]笪凤媛.交易费用的测度方法及其在中国的应用研究[D].华中科技大学，2010.
[2]朱澍清.新制度经济学视角的产教联盟动因与运行机制[J].金融经济：下半月，2012（09）：174.
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文章编号：1007-7685（2013）01-0090-04
近期，英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，引发了世人的关注。作为新生事物，什么是3D打印技术？它与传统产品开发和生产制造有什么区别？发展的意义何在？我国发展现状如何？下一步应如何发展？
一、3D打印概况
（一）3D打印的概念
3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备（俗称“3D打印机”），用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。3D打印技术是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。
（二）3D打印技术所依托的关键技术
3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。客观说，目前3D打印技术尚不成熟。作为一项多学科交叉的高新技术，还需要在各相关领域投入较大的研发力量，才能掌握完整的核心技术。
（三）3D打印技术的应用领域
近年来，3D打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。
具体应用领域包括：工业制造。可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证。制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品：3D打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中；文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印技术塑造了部分角色和道具，3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平；航空航天、国防军工：可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造；生物医疗：可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作；消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造；建筑工程：可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟；教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研；个性化定制：可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。
从市场应用份额看，3D打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18.2%，应用于航空航天和国防军工占13.7%，在商业机器领域占11.2%，在医疗领域占8.8%，在科研方面占8.6%。
二、我国3D打印产业发展现状及面临的问题
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。目前，依托高校的研究成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华（依托于清华大学）、陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）、湖北滨湖机电（依托华中科技大学）。这些企业都已实现了一定程度的产业化，部分企业生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。
一些中小企业成为国外3D打印设备的商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设立了3D打印服务中心，发挥科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。
在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教学和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。
3D打印产业正成为投资热点。不少原来从事数字化技术、材料技术、精密机械技术的企业纷纷考虑投资开发3D打印设备生产和服务。
资料来源：《3D打印技术将掀起“第三次工业革命”？》，载自《科学研究动态监测快报》，中国科学院国家科学图书馆，2012年10月1日。
目前，我国3D打印产业处于起步阶段，存在一系列影响3D打印产业快速发展的问题。
第一，缺乏宏观规划和引导。3D打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。但在我国工业转型升级、发展智能制造业的相关规划中，对3D打印产业的总体规划与重视不够。
第二，对技术研发投入不足。我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。而占据3D打印产业主导地位的一些美国公司，每年研发投入占销售收入的10%左右。目前，欧美一些3D打印企业依托其技术优势，正加紧谋划拓展我国市场。我国对3D打印技术的研发投入与美国有较大差距，占销售收入的比重很少。
第三，产业链缺乏统筹发展。3D打印产业的发展需要完善的供应商和服务商体系和市场平台。在供应商和服务商体系中，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初级发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。
第四，缺乏教育培训和社会推广。目前，我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念，对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足。企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印技术相关的必修环节，还停留在部分学生的课外兴趣研究层面。
三、我国发展3D打印产业具有重要的战略意义
当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家为解决近年来制造业竞争力下降的难题，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人、人工智能、3D打印技术是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权。虽然3D打印等数字化制造的核心技术仍处在发展的初级阶段，产业还不成熟，但在产品设计、复杂和特殊产品生产、个性化服务等方面已显示其独特优势。所以，我们应充分认识智能制造、数字化制造对我国的深刻影响，加快3D打印产业的发展，推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变。
（一）发展3D打印产业，可提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力
传统的工业产品开发方法往往是先做模具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需模具，就可以把制造时间降低为以前的1/10到l/5，费用降低到1/3以下。一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可以利用3D打印技术短时间内制造出来，从而极大地促进产品的创新设计，能够有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。
（二）发展3D打印产业，可生产出复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关
3D打印技术可为基础科学的研究提供重要的技术支持。在航天、航空、大型武器等装备制造业，零部件种类多、性能要求高，需要进行反复测试。运用3D打印技术，既在研制速度上具有优势，还可以直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的赶超。在生命科学的研究和应用中，3D打印以“细胞打印”、“仿生定制”等形式出现，把标准化、自动化的机械加工业生产方式，应用到生物工程、生物制药和临床医学等领域，已取得丰硕成果。以生物组织为原材料的制造业，有望成为高端制造业的重要组成部分。发展3D打印技术，将促进我国在生物能源开发利用、生物和化学药剂试验、人体组织和器官再造等领域取得技术进步。
（三）发展3D打印产业，可形成新的经济增长点，促进就业
随着3D打印技术的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印技术与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。如，自主创业者可通过购置或租赁低成本的3D打印设备（一些3D打印设备已低于1万元），利用电子商务等平台，为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装饰品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造产业，并增加社会就业。
四、我国3D打印产业发展的政策建议
（一）制定3D打印产业发展规划，促进其优先发展
建议将3D打印技术定位为生产业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印技术，支持3D打印设备的进出口。
（二）加强3D打印产业联盟、行业协会建设，推动产业协同发展
积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟，利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场建设，包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印技术及关联项目投融资机制等，促进产业可持续发展。
（三）加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平
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一、点面结合，整体构建优秀学生培养平台
所谓“点面结合”，就是由点带面，实行“试点、大步走，带面、小步走”策略，积极稳妥地推进优秀生培养模式改革。从1996年组建强化班开始，学校陆续成立了工研班、中乌联合培养班、钱伟长班和理学实验班，不断探索和建设各类培养“点”，并综合试点改革的成果，于2010年成立“长空学院”，构建了宽基础、交叉性、研究型、个性化的优秀学生培养平台。
1. 培优班――“点”的探索实践
随着时代的演变，有关人才素质结构的研究已经逐步由知识结构转向能力结构，进而转向整体素质等各方面。人才培养效果的滞后性决定了必须不断探索培养过程的作用要素和机理，持续创新和完善培养模式。因此，“点”的探索围绕人才素质的形成逐步推进：第一阶段，重视知识结构的牢固基础，强化大类基础的培养，构建了以大数理类、大力学类、大电类课程为主干的学科专业基础课程体系，为学生系统学习创造条件。以强化班为例，学校采取“2+2”培养模式即前两年集中组班强化数理和学科基础，后两年回本专业学习，注重提高学生的学习能力。第二阶段，重视知识结构与能力结构的贯通培养。以工研班为例，工研班是从强化班演进而来的。但工研班并不是强化班的简单延续，在教学观念上摒弃“学时多加，内容多教”的量的强化，更加注重学习的自主探究性和能力素质的综合培养。按照“知行统一、寓教于研”的理念，大力推进启发式教学，让学生成为主动学习者和探究者。工研班实行本硕博连读培养，学生在一、二学年集中进行基础课程学习，第三、四学年按照个性化培养方案学习，并加入导师学术团队开展科研活动，注重培养综合实践能力。第三阶段，以“工研班”模式带动、辐射到各学科专业，形成定向学科专业的特色培养“点”。例如，发挥我校办学优势，面向航空等领域开设工程力学“钱伟长班”，培养力学素养深厚的拔尖人才；开设“中乌联合培养班”，通过实行本科生双导师制和双学历学位制，培养航天领域高素质创新人才。学生一、二学年在国内接受宽口径、厚基础的前期培养，三、四学年赴乌克兰学习并进行毕业论文答辩；开设理科实验班，实行数学+X的本硕博贯通培养机制，培养具备坚实数学基础、跨学科知识结构的理科高素质创新人才。其他如飞行器动力工程培优班、材料科学与工程培优班、适航技术与管理培优班等，都是根植于学科专业特色建立起的培养目标、课程体系与教学方法各有特色的“点”。通过各阶段“点”的探索，学校的人才培养模式日趋成熟和完善。
2. 长空学院――“面”的整体构建
耶鲁大学校长理查德・莱文尖锐地指出，跨学科知识的广度、批判性思维的培养是中国学生最缺乏的。中国大学急需补上“跨学科和创新思维培养”的“短板”。为了构筑宽、专、交的知识体系，激发学生的创新创造潜能，学校利用各“点”打下的良好基础，聚集优质教育资源，将分散的培优班凝聚为整体工程，成立了“长空学院”。长空学院按照“格物致知，融通致用，创新致善，弘毅致远”的理念，根据不同层次类型规格确定培养目标，注重因材施教，以自由选择和个性化培养的学分制取代按专业招生和培养的传统模式。以研究性教学和探究式学习培养学生的研究潜质和创新潜能，拓宽学生专业口径，系统实施跨学科培养、中外合作双学位培养、本硕博贯通培养。系统制定优秀生选拔方案、培养方案和课程体系，集中开展教学研究，创新教学模式。例如，通过菜单式课程选修，开设了工程教育、创新教育、创业教育专项教学，通过名师授课计划、长空讲坛，建立导师联盟等形式，实行特区式、广平台教学管理，为学生全面发展提供了广阔平台。学院通过下设院务委员会、院长联盟、导师联盟、学生联盟四大主要机构开展工作，实现了“虚体实办”，为创新培养模式提供了生动的个案。2010年，学校以此为基础组织申报的《人才培养模式改革》课题成为国家教育体制改革试点项目。
二、两线并举，全方位建立创新创业教育体系
所谓“两线并举”，即第一和第二课堂并举。学校按照“学以致用、学思结合、学研结合”的理念，强化培养过程和质量的全面性，将“第一课堂”与“第二课堂”并举，注重培养学生的工程实践能力和创新创业能力。
1. 创新工程教育模式，培养学生的工程实践能力
学校实施“工程教育行动计划”，开设了“工程专项教育”辅修专业，开出“工程导论”、“创造学技术”、“工程伦理学”、“工程组织与管理”等工程基础系列课程，在各工程专业的专业导论课程和专业基础课程的绪论课中强化工程背景和工程观念，突出现代工程师基本素质的培养。以强化工程师“角色训练”为重点，建立了工程训练教学服务质量管理体系（该体系通过ISO9000质量管理体系认证），实现了训练过程管理与工程过程管理的有机结合。鼓励教师把科研成果融入教学，组织学生依托教师承担的工程项目做课程设计、毕业设计和学位论文，在解决实际问题的过程中培养实践能力。经过不断探索，形成了工程基础教育、工程训练与工程实践“三位一体”的工程教育模式。同时，学校还把工程教育阵地延伸至校外，促进行业企业深度参与培养过程，构建校企联合培养机制。在顶层设计上，发挥行业特色，紧紧围绕大型飞机、载人航天与探月、核高基等国家重大科技专项，发挥学校在新材料、新能源等新兴产业中的技术研发优势，将“卓越工程师培养计划”列入与航空航天等领域大型企事业单位的战略合作，以此为导向，构筑联合培养平台，根据企业需求和学校人才培养定位确定培养目标，按通用标准和行业标准培养创新人才。例如，在“卓越计划”中实施连贯培养、分段管理的“4+2.5”模式，一、二年级实行基于问题的研究性学习，二、三年级实行基于项目的团队式学习，三、四年级实行集中式企业学习，研究生阶段实行工程顶岗学习。由校企双导师共同指导学生课程学习和毕业设计，以企业为主实施对学生的考核，形成了实习实践、毕业设计、顶岗见习“三连贯”模式，有效地避免了传统的实践时间短、连贯性差、效果不好等问题。目前，学校正探索建立工程实践和学生就业的“无缝对接”，依托中国第一飞机设计研究院、中国直升机研究院、“中国商飞”、东方航空公司等企事业单位，已建立了70余个稳定的联合培养平台，并着力打造具有行业规模效应的教学品牌。
2. 实施创新训练计划，开展以问题为核心的科技创新活动
鼓励优秀学生尽早进入科研训练阶段，是激发学生兴趣、促进学生自主、探索学习的重要手段。学校按照“寓创新于实践，在实践中体验创新”的思路，构建了“四个层次一个专项”的科技创新训练体系，即“院级、校级、江苏省、国家大学生实践创新基金项目或创新训练计划”加“科研素质训练专项”。同时，构建了以“挑战杯”科技作品竞赛为龙头的多层次、开放式的课外科技创新活动体系，如“飞豹杯”未来飞行器设计系列大赛、“挑战飞行员”和“机场模拟大赛”等等，为学生创造了参与创新、体验创新的广阔舞台。学校通过制订和实施《大学生创新性实验计划管理办法》，将上述“科技创新训练计划”和“课外科技创新活动”纳入人才培养方案，学生参与创新项目的情况记入学习档案。学校还通过组建“科技创新研修学院”，将各重点学科、工程研究中心和重点实验室也纳入科研创新训练体系，建设了飞机创新设计实验室、大学生科技中心等22个本科生创新实验室、24个研究生创新实验室和4个创新基地，建成了2个“国家级人才培养模式创新实验区”，为学生搭建了广阔的学习交流平台，每年有超过10000人次学生参与各类科技创新活动。
3. 全面开展创业教育，提升学生事业发展能力
学校立足学生未来发展，遵循“创新引领创业，创业推动创新”的理念，构建了“创新教育基础之上的创业教育，普惠教育基础之上的精英教育”的创业教育模式，形成了“创新引领创业，系统化创新实践、个性化创业培养、市场化创业活动”的培养机制。创业教育分两个层次展开，一是广泛开展“普慧式”创业教育，将创业教育融通专业教育，开设了“创业专项教育”辅修专业，实行“创新创业导师计划”和学分认定制度。例如，学校要求每门课的备课方案中，突出有关对学生创新思维、实践能力培养的内容，创新思维训练是教学检查的必查环节。学生选修创业课程满25个学分，将认定为创业辅修专业。二是开展“精英式”创业培育，鼓励学生开展科技创业，引导学生结合兴趣爱好订制创业方案，形成了“高科技、高层次、高成长、高素质”的精英人才培养特色。围绕上述两个层次，学校成立了创业教育学院，下设教学研究中心、科技创新中心、精英培育中心、创业孵化中心，系统实施创业教育教学研究。同时，统筹科技创新资源，加强与地方政府合作、与校外创业孵化资源进行广泛对接，共建大学生创业平台，形成了科技创业特色模式。自2008年以来，学生创业呈蓬勃之势，已涌现了60余个科技创业典型，学校因此获得江苏省首批“创业教育示范校”称号。
三、两级融通，不断完善人才培养质量保障机制
所谓“两级融通”，即学校、学院两个层级围绕创新人才培养体系的构建，上下联动互通，政策措施融合，共同致力于教学评价、激励和管理，切实保障人才培养质量的提高。
1. 建立“学习力”和“教学力”综合评价体系
遵循“学”的规律建立学生“学习力”形成性评价体系。学校一级抓“进出”两头，重点实施招生选拔和学位授予评价。例如，改革本科生入学选拔机制，建立统一考试录取为主、多元化评价相结合的优秀学生选拔机制，重点考察学生的知识面、综合应用能力和发展潜质等。学院一级管“中间”，实施学习过程评价。创新人才培养的关键在于培养批判性、创新性思维。因此，“学习力”评价改变以往注重学习结果、忽视学习过程，注重记忆能力、忽视逻辑能力，注重理论推导、忽视问题综合解决能力的简单方式，建立有利于学生自主探究学习的评价导向，除了将学生的课内表现（听课状态、作业情况等）纳入指标体系，还兼顾学科专业差异，突出学生的个性特质，将学生参与创新活动、自主学习表现等纳入考核，建立以“绩点制”为基础的多维评价体系。
遵循“教”的规律构建教师“教学力”状态评估体系。教学力包含了教师的学习能力、课程开发能力、专业教学能力和实践能力、技术服务能力以及教学研究能力等，具体表现为对学生的凝聚力、控制力和转化力等。学校依据“教学力”内涵，改革教学是“软指标”为“硬指标”，实施“教学力”评估。校院两级共同制订教学、实验等主要环节的质量标准，构建动态评价、多维评价、分类评价、团队评价“四位一体”的综合评价体系。例如，针对课堂教学，学校制订了《本科课堂教学质量评估办法》和《教学质量评价工作办法》，学校一级组成校评估专家组、学院一级组成同行专家评估组实行学生评估、同行评估和专家评估三结合的综合评估。同时强化“教学力”评估结果在任课资格制、教学质量一票否决制、职称评聘和奖励等监督管理中的作用。
2. 完善教学激励机制
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1.我国机械工程领域研究进展
机械工程科学研究为先进制造技术提供了源源动力。先进的制造技术是推动我国制造业自主发展的主要驱动力，自主创新技术为我国航天和国防先进装备提供了重要的技术支撑，自主创新技术在航空、家电、车辆、轻工业、石化、微电子、工程机械等众多制造业中都得到了广泛的应用，自主品牌也随之越来越多。
1.1.机械动力学领域
南京航空航天大学提出了含时滞控制系统动力学、含弹性约束的振动控制系统分叉机理和控制方法、含迟滞阻尼振动控制系统的建模和控制方法。西南交通大学发展了机车车辆一轨道系统祸合动力学模型，研制了自主知识产权的机车车辆轨道祸合动力学仿真系统和安全性现场测试评估体系。
1.2.摩擦学领域
摩擦学成为我国机械工程学科在国际学术界最具影响的学科之一。中国科学院兰州化学物理研究所摩擦、磨损与实验室，所将研究发明的纳米固体技术用于我国航空航天工程。清华大学在纳米摩擦学及其技术研究领域也取得了重要进展，在计算机硬盘基片表面超精化学机械抛光（CMP）研究中，提出了超精表面纳米粒子的行为机制，并发现了化学与机械作用均衡规律，探索出硬盘基片超精表面新型CMP技术及先进的抛光工艺，使抛光后表面波纹度和粗糙度均低于0.1nm。西南交通大学结合了高速铁路中的轮轨关系问题进行研究，首次在试验中再现了轮轨波磨现象，并从理论和试验两个层面上深入分析了轮轨波磨的形成机制。
1.3.仿生机械和生物制造领域
仿生机械和生物制造是一个创新性和挑战性并存的前沿领域。吉林大学在仿生柔性动态减阻、仿生电渗脱附理论研究中已经取得了重要进展，并创建和发展了机械仿生学科，发明了一系列地面机械脱附减阻仿生技术，并成功将其应用于农业机械和国防工程。西安交通大学在人工骨仿生制造研究中建立了骨组织的模型，提出了骨缺损的复合结构修复方法，采用快速成型法制造了人工骨的结构框架，并在动物骨缺损修补中获得成功。
2.我国机械工程领域的发展趋势
由于机械工程领域设计到国家的核心利益，因此在未来我国将大力推进拥有自主知识产权的仪器、设备的发展，因此，在自主创新的高新技术领域的仪器与设备的设计制造等方面的基础研究将会成为机械领域研究的重点，此外由于我国资源与环境等方面面临着严峻的挑战，这就要求机械制造领域要更重视环保与节能，在未来绿色机械也将为成为我国机械领域研发的重点领域。
2.1.机械学领域发展展望
2.1.1.机构学是机械工程学重要内容之一。机构学研究既要注重理论知识的研究，从而确保我国在该领域研究的绝对优势，同时又要注重制造与控制相交叉学科的研究，从而在理论与技术两方面同时取得进步，以开发出性能优良的新装备。
2.1.2.擦学领域也有了长足进步，其基本经验是与生物、纳米、计算机以及一些相关交叉学科的结合，从而衍生出纳米摩擦学、分子动力学模拟、生物摩擦学等相关学科。中国摩擦学领域的青年学者应当在国际学术界进一步加强自身影响力，争取在国际学术界占有更重要的位置"
2.1.3.研究领域中，复杂机电系统动力学分析、非线性动力学以及机械系统故障监测等领域都取得了较大的进步。但目前我国在大型复杂机电系统动力方面的仿真设计、微纳米系统动力学等研究领域均面临着较大的问题。目前我国机械制造行业中的高端技术装备绝大多数均是需要进口，这严重制约着我国经济的自主发展，因此我国急需在机械动力领域进行深入研究，以突破国外的技术封锁。
2.2.科技领域发展展望
机械制造领域发展的总趋势将会是朝着基于环保与节能基础上的远程遥控、智能化、精确化等方面发展，在未来一段时间我国在机械制造领域将主要向如下几个方面发展：
2.2.1.行器或是深海潜水机械领域将取得较大进步；飞机方面将向着更大、更快、更轻、更舒适、更安全的方向发展；同时在微小制导、超真空、超低温、等极端条件下的机械技术将会成为研究重点。
2.2.2.在未来机械制造领域将仍然是重点研究方向，未来若干年内量子通信技术、纳米技术、网络光通讯技术、商业基因计算机等技术将会成为现实边以产品的形式出现，来影响人们的日常生活。同时卫星通讯技术、基于网络的虚拟制造技术、基因计算机芯片等技术也会有较大的发展。总之未来在通信领域的机械技术将会向着智能、精细化等方向发展。
2.2.3.造技术将成为机械制造领域的永恒话题，由于化石能源的逐渐枯竭，因此人们不得不转向其他的渠道来获取能源，而其他的能源，如核能、热能、风能、潮汐能等清洁能源的开发需要有雄厚的技术资本来支撑，因此在未来人们势必在这些清洁能源领域的机械技术取得较大突破。
3.结语
目前，我国在机械领域已取得长足的进步，但与西方发达国家还存在着较大的差距。因此我们必须具有长远的眼光，加强对机械相关研究领域的资金投入，创新人才培养模式，支持自主创新，确保我国在机械高新技术方面拥有一席之地，并努力将科技成果转化为生产力，实现我国机械制造领域相关产品走向全世界。
参考文献：
[1]金学松等.曲线钢轨初始波磨形成的机理分析.机械工程学报，2008，44（3）.
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(SSCI,SocialSciencesCitationIndex)以及艺术和人文引文索引(A&HCI,Arts&HumanitiesCitationIndex)。该数据库可通过WebofScience在线访问，它提供了过去至今的书目信息和引用参考文献的信息。它还包括了从大约1200标题中挑选出的有关的项目，大多数是艺术和人文科学期刊，但也有数目不详的其他学科的标题。
2.AGRICOLA(AGRICulturalOnLineAccess)
AGRICOLA是由美国国家农业图书馆（NAL）和其合作者创造的引文书目数据库。这些记录的电子形式起始于1970年，但是该数据库涵盖了所有出版形式，包括自从15世纪以来的印刷作品。这些记录涵盖各农业方面及其相关学科的资源，包括动物和兽医科学，昆虫学，植物学，林业，养殖业和渔业，养殖和农业系统，农业经济，推广和教育，食品与人类营养，地球和环境科学。
3.BiosisPreviews®
BIOSISPreviews涵盖了全球各地所有生物和生物医学专题的文献，其记录包含索引信息和大多数参考文献的摘要。要使期刊被列入其内，要提交期刊到BIOSIS信息权威及发行部门。申请的期刊会在各方面被进行评估，如主题，地域范围，同行评审等。评估结果并不能保证该期刊会被纳入BIOSIS数据库。
4.ChemicalAbstracts
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学科专业未来就业指数是盈速教育网独家研究推出的就业趋势预测指标。简单来说就是相关学科专业在未来三到五年内的就业趋势指标，指数测算的主要思路和参考依据，是以国家未来三至五年的宏观经济发展趋势为主线，通过对教育政策、经济政策的研究，并结合各类高等教育在校生总数、社会用人供求最新动态、学科专业的共通性、行业边际效益等可能影响未来就业的各项因素，在适当的量化后，根据各项因素对未来就业供求的影响程度，分别以不同的权重，列入测算公式，最终计算出结果（见附表）。
从对有关数据分析看，指数的范围从 -1到1，指数为零表示未来几年该学科专业供求平衡，小于零表示供过于求，大于零表示供不应求，指数数值越高，表示需求越大而供应不足。
根据权威统计数据，全国各类高等教育总规模超过2700万人，高等教育毛入学率达到 23% 。高等教育招生数和在校生规模持续增加，预计今后几年内，每年的总数还将以 5%左右的速度递增。
与上一次（2006年第二季度）测算结果相比，指数产生变化的有 11个学科（专业），其中 6个学科（专业）指数出现递增， 5个学科（专业）指数出现递减，这种上下变化，和《劳动合同法》颁布实施后，国内正在经历产业结构调整的情况有密切关系。
能源科学、航空航天科学技术是未来需求一直保持增长的学科，而数字时代的来临，使电子、通信与自动控制技术也保持在少数派的未来热门学科中。
有一点需要强调的是，教育部近来新批准试点的新学科专业不一定是未来需求的热门，例如“应急管理 ”专业，目前还只是定向培养，少量试点，“新”并不代表需求量大。
盈速教育网自从 2005年 9月以来，已经先后五次测算并修订、公布了“学科专业未来就业指数 ”。 2007年度的指数原于当年底测算完毕，但因有关法规的颁布实施对未来就业趋势影响较大，相关测算的指标公式需要重新评估调整，因而暂停公布。本次 2008年度的测算结果，已经考虑了相关法规实施的影响因素。
据悉，鉴于教育部二级学科专业（方向）每年均有一定程度的调整，且具体专业相关统计数据较缺乏，为此，盈速教育网课题组采纳了专家意见，从 2008年起仅测算、公布一级学科，不再公布具体的二级学科专业 (方向 )的指数。
教育部新试点尚未正式列入国标的部分新增学科专业本次也未列入测算范围。
